用于薄片试样弹塑性应力-应变分析的半解析方法

针对圆弧漏斗薄片试样和圆环薄片试样提出了半解析统一模型,并进行了有限元验证,该模型对漏斗薄片试样与圆环薄片试样单调力学行为均有优良的描述性。完成了漏斗薄片试样与圆环薄片试样的单轴拉伸试验及变幅对称循环试验,获得了载荷-位移曲线和循环稳定载荷幅-位移幅曲线。通过该模型并利用试验曲线预测材料单轴应力-应变关系和循环应力-应变关系,发现根据两种薄片试样预测的材料应力-应变关系及循环应力-应变关系与标准圆棒试样结果吻合良好。     

利用小尺寸缺口试样测定延性材料的单轴本构关系

提出了一种利用三点弯曲试样获取延性材料本构关系的测试方法：针对小尺寸缺口试样的三点弯曲线载荷-位移曲线,采用有限元辅助测试（Finite-element-analysis aided tests,FAT）方法,迭代获得材料代表性体积单元（Representative volume element,RVE）本构关系。研究表明,两种延性材料的有限元迭代反求结果和单轴拉伸试验结果吻合较好。应用该方法,可以采用小尺寸缺口试样来获取延性材料的本构关系。     

基于塑性损伤数值分析的小冲孔试验影响因素研究

基于Gurson-Tvergaard-Needleman(GTN)塑性损伤本构方程,建立了小冲孔试验试样损伤分析的有限元模型。针对尺寸为10mm×0.50mm的SUS304不锈钢圆片状试样进行了常温小冲孔试验。试验和有限元分析所得到的载荷-位移(Load-displacement,L-D)曲线和试样破断位置一致,从而验证了有限元模型的有效性。进一步应用所建立的有限元模型系统地分析了摩擦系数、试样厚度、钢球直径、下模孔径以及冲压速率等因素对小冲孔试验结果的影响。研究结果表明:上述因素对L-D曲线、最大载荷、试样破断时间以及启裂和颈缩位置有显著影响,克服了目前小冲孔常温试验模拟中存在的不足,所得结论为今后的小冲孔试验技术发展提供了技术指导。     

延性材料断裂准则与平面应变断裂韧度

延性材料的临界断裂规律对结构完整性评价和金属塑性成形分析具有重要意义,但相关的弹塑性断裂强度研究长期存在瓶颈。本文针对30Cr2Ni4MoV低压转子钢和3Cr13不锈钢,完成了不同应力三轴度的4类试样拉伸破坏试验,基于FAT （Finite-element-analysis Aided Testing）方法,通过有限元迭代分析实现试样的载荷-位移关系逼近,进而获得材料直至断裂的全程等效应力-应变关系,并以此通过有限元正向分析获取4种试样的临界断裂阈值和临界应力三轴度,提出了基于临界断裂单元的应力三轴度与第一主应力阈值之间的对数型断裂强度准则。结果表明,2种材料、4类试样的FAT阈值分析结果与断裂强度准则符合良好。最后,基于断裂强度准则提出了依据I型裂纹尖端的应力分布预测材料平面应变启裂断裂韧度的新方法,并获得了30Cr2Ni4MoV低压转子钢和3Cr13不锈钢的平面应变启裂断裂韧度,结合临界断裂准则和裂纹静态扩展机理,提出了I型裂纹的材料J阻力曲线的理论预测方法,并给出了30Cr材料的预测结果。     

基于直通型CT试样测试方法的断裂韧度研究

依据ASTM用于CT试样获取断裂韧度载荷分离理论规则化方法提出量纲一载荷分离法,从而完善用于断裂韧度测试的载荷分离理论,且根据弹塑性有限元精细计算结果以及直通型CT变形几何关系,提出裂纹嘴张开位移与加载线位移的转换公式。采用不同初始裂纹长度CT钝裂纹试样对公式的有效性和精确性进行试验验证,进而实现对1Cr12Mo、30Cr2Ni4Mo V以及P91管材10Cr9Mo1VNb N三种合金直通型CT试样的JR阻力曲线测定,结果表明,试验值与公式计算值的最大相对误差均在5%以内。     

液压式万能材料试验机夹头的研究与应用

国内外各材料试验机厂生产的液压式万能材料试验机夹紧试样的夹头,原设计均采用手柄杠杆式,通过弹簧拉动的结构来夹紧试样.由于拉力小(一般在140～300 N之间)和夹紧试样用斜齿板的齿形配合间隙不密合等因素,一般液压式万能材料试验机的机械夹头,经过较短时间使用后,就不好用了.做拉伸试验时,出现试样夹不住、试样打滑的现象,画出的拉伸曲线有波动,故给试验结果带来一定的误差.液压夹头的研制成功解决了上述问题,使得拉伸试验结果准确、可靠.     

基于内聚力模型的改性双基推进剂断裂特性研究

为了研究改性双基推进剂的Ⅰ型断裂性能,进行了该推进剂材料的三点弯曲试验及单轴拉伸试验,初步获取了材料的断裂强度及断裂能参数。基于内聚力模型构建材料断裂本构方程,应用于三点弯曲断裂有限元仿真分析,得到仿真加载点载荷-位移曲线,并采用反演优化算法对内聚参数进行修正,获取最终准确模型参数。为验证模型准确性,进行了不同初始裂纹长度下的三点弯曲试验及仿真。结果表明模型能够较好地描述实际裂纹扩展过程中的载荷-位移特性及裂纹扩展特性,仿真结果与试验结果误差小于7.6%,证明该模型的有效性。     

304不锈钢小冲孔蠕变试验与损伤数值模拟研究

对304不锈钢进行了恒定温度下多种载荷的小冲孔蠕变试验,在此基础上建立了304不锈钢小冲孔蠕变试样的有限元模型。应用改进的K-R蠕变损伤本构方程,分析了在650℃、恒载荷条件下的试样中心挠度、应变等随时间的变化规律以及试样蠕变损伤与位置的关系。结果表明,试验与数值模拟结果基本一致,试样中心蠕变曲线都具有明显的三个阶段,与单轴试验的应变曲线十分相似。整个试样在中心损伤比较严重,呈现明显局部化特征。试样的失效首先在下表面,距试样中心约1/10处,这与试验观察到的试样颈缩部位完全一致。     

TC4钛合金试样渐进破坏试验与数值研究

以商业有限元分析软件ABAQUS为平台,基于GTN金属断裂模型对TC4钛合金光滑圆形试样和两种不同缺口形状试样在单向拉伸试验中的渐进破坏过程进行数值研究,同时对比分析了几何非线性的影响在数值计算中的差异。结果表明,该模型预测TC4钛合金试样单向拉伸试验的载荷-位移曲线及宏观断裂形貌与真实试验结果基本一致。     

固体火箭发动机柔性接头弹性件力学性能研究

针对固体火箭发动机柔性接头中的橡胶材料，研究了在进行这种橡胶结构有限元计算中橡胶材料的力学行为的表征。进行了单轴拉伸与简单剪切材料力学性能试验，根据不同材料模型对试验曲线进行了拟合，并用MSC／Marc软件模拟了超弹性材料的单轴拉伸与简单剪切变形过程。结果表明：采用单轴拉伸试验数据预测材料剪切性能会造成明显误差，而简单剪切试验得到的模型可以比较准确描述材料的拉伸和剪切变形，针对柔性接头这种以剪切变形为主的结构，应选取剪切试验数据；当应变大于150％时，不同材料模型与试验数据的选用范围对计算结果具有明显影响。     

损伤对平纹编织陶瓷基复合材料梁振动特性影响的试验研究

为研究平纹编织陶瓷基复合材料（CMCs）梁受损伤影响的非线性振动特性,本文分别开展了拉伸试验和振动试验。拉伸试验用于获得平纹编织CMCs受损伤影响的变刚度行为,多次正弦扫频试验用于获得振动载荷下平纹编织CMCs梁受损伤影响的非线性行为。拉伸试验得到的非线性应力-应变曲线表明材料受损伤影响变刚度行为明显。梁初始固有频率的试验值与理论值相比,相对误差小于1%。振动试验结果从两方面表明了损伤对梁振动特性的影响。一是模态参数的变化,固有频率从初始值（256.44Hz）不断减小,阻尼比呈现增大趋势,而共振位移幅值受固有频率和阻尼比的耦合作用发生非线性且非单调变化。固有频率的变化造成位移幅频特性曲线的左移现象。二是位移幅频特性曲线的多峰现象,在多处载荷频率下产生了位移峰值点。本文的试验结果可用于指导平纹编织CMCs结构动力学计算理论模型的建立。     

Nomex蜂窝夹层结构面内剪切性能试验研究

采用改进设计的像框试验对Nomex蜂窝夹层结构的面内剪切性能进行了表征测试与研究。试验结果表明,在像框的持续性剪切载荷作用下,夹层结构首先发生了板-芯界面脱粘,继而蒙皮在竖直方向上形成了巨大的鼓包和皱褶。随着剪切载荷的增加,夹层结构最终发生了横向的断裂。多次试验结果所得的低于3%的离散率也预示出面内剪切像框试验的有效性和准确性。此外,试样和夹具之间的固定程度是影响面内剪切像框试验的关键因素。仅采用螺钉进行固定的试样测试时,螺钉受拉力的移动直接导致了夹层结构边缘破坏,然而样件本身所受像框的面内剪切载荷有限,试验无效。     

复合材料层合板沉头螺栓接头拉伸性能试验与有限元仿真

根据ASTM标准设计了复合材料沉头螺栓单钉单搭接头拉伸性能试样,并完成试验件的制备和挤压性能试验。试验过程中采用非接触全场应变测量系统(VIC-3D)对载荷-位移曲线、表面应变场、沉头板上表面面外位移等试验数据进行了采集。基于Abaqus/Standard和Abaqus/Explicit模块建立了复材接头单向拉伸的静力隐式和动力显式三维有限元模型,利用模型搭接区域的变形对试验结果进行验证。采用静力隐式算法所得接头挤压刚度和层合板上表面末端面外位移与试验值的误差分别为14.4%和20.5%;采用动力显式算法所得接头挤压刚度和层合板上表面末端面外位移与试验值的误差分别为13.1%和11.9%。采用动力显式算法精度较高,而且其在接触建模时稳健性很强,可用于后续多钉连接接头以及整体壁板等大型复杂结构建模。     

硬铝合金2A12的蠕变损伤行为及分析

在210℃、不同载荷下对硬铝合金2A12板状试样进行了单轴拉伸蠕变实验,得到了硬铝的蠕变损伤参数以及断裂时的部位和损伤度.在此基础上建立了硬铝合金2A12板蠕变试样的有限元模型,基于简化的K-R损伤模型,分析了在210℃、恒载荷条件下的试样应变、损伤等随时间的变化规律以及试样蠕变损伤与位置的关系.结果表明,数值模拟与试验结果基本一致,试样中心蠕变曲线都具有稳态阶段和损伤扩展阶段,与单轴试验的应变曲线十分相似.整个试样在离中心大约9～10mm处损伤比较严重,呈现明显局部化特征.     

5083铝合金力学性能的球压痕法检测研究

介绍了微压痕法在航空铝合金材料力学性能检测的研究.采用球形压头通过多级循环加载方法得到了5083铝合金材料压痕深度与载荷的关系,将微压痕数据输入经过充分训练的人工神经网络模型,计算出材料力学性能参数和材料应力应变曲线,对压痕法测量得到的材料真应力应变曲线与拉伸试验得到的结果进行了比较.     

航空液压泵脉动压力的解析表达与级数展开

为了深入研究航空液压泵输出油液的脉动压力特性,以航空液压柱塞泵为研究对象,分析了柱塞泵运动和体积流量脉动的成因,推导了柱塞泵排油口的体积流量脉动函数表达式,建立了油液压力与体积流量脉动函数之间的联系,并采用傅里叶级数模拟了与实验数据吻合的多级脉动压力曲线。结果表明：模拟脉动压力曲线与实验数据基频、2倍频的相对误差均在5%以内,基频及2倍频处的压力幅值的相对误差均在1%以内,使用包含基频与2倍频的级数近似可以描绘航空液压柱塞泵出口处周期脉动压力的主要特征。研究结果为进行飞机液压系统管路结构的流固耦合振动仿真提供了载荷输入依据。     

Ω型加筋壁板连接结构在拉伸载荷下的破坏研究

考察机身收缩段的复合材料Ω型加筋壁板前段和后段连接结构在拉伸载荷下的承载能力,开展了拉伸破坏试验研究。试验件为壁板与框呈75°夹角的倾斜结构,试验考核了加筋壁板、连接框、连接角盒和紧固件的应变水平、试验件的载荷-位移曲线和破坏载荷。试验结果表明,Ω型加筋壁板前后段连接结构在拉伸载荷下,角盒和框的连接处的紧固件以及框的转角处最先发生破坏。试验结果可作为飞行机身复合材料结构连接的设计和评定依据。     

一种非线性模型下的复合材料螺栓连接失效分析

复合材料螺栓连接结构已广泛应用于飞机结构件,研究其拉伸失效问题具有重要意义。结合Hashin失效准则、能量耗散率方法、Puck失效准则和材料损伤连续退化方法,建立一种包含面内损伤和层间损伤的复合材料三维非线性模型;将含开孔层合板准静态拉伸试验结果与有限元数值模拟结果进行对比,两者之间的应力应变响应及最终断裂失效模式一致,证明该本构模型是有效的;在此基础上,对复合材料单钉双搭接螺栓连接结构进行拉伸失效分析。结果表明:数值模拟所得位移载荷响应与试验结果吻合良好,极限拉伸载荷误差不超过5%,满足工程应用要求;加载过程中的孔边变形和损伤累积使得螺栓连接结构整体刚度下降,其最终破坏模式为中搭接板挤压失效。     

数字图像相关方法测量芳纶纤维复合材料I型裂纹应力强度因子

将数字图像相关方法用于芳纶纤维复合材料单边裂纹在拉伸载荷作用下的断裂问题研究。介绍数字图像相关方法的基本原理,建立数字图像相关方法中位移场与裂纹尖端应力强度因子之间的关系。通过搭建数字图像相关方法光学非接触测量系统,试验表征含单边裂纹芳纶纤维复合材料试验件在拉伸载荷作用下的全场位移。由数字图像相关方法所得位移场提取不同载荷作用下裂纹尖端应力强度因子,并分析最小二乘拟合项数、数字图像相关计算子区域和步长大小对计算结果的影响。结果表明,增加最小二乘拟合项次和合理选择数字图像相关计算子区域和步长大小可以提高应力强度因子计算精度。     

EPDM薄膜橡胶包覆材料的粘-超弹本构模型研究

为了描述一种新型三元乙丙(EPDM)橡胶薄膜包覆材料的力学性能,进行了不同拉伸速率(0.1~5mm/s)下的单轴拉伸试验和多步松弛试验。研究了材料的应力-应变响应,建立了有限变形下的粘-超弹本构模型。模型由超弹与粘弹两部分组成:超弹部分基于多项式应变能函数推导获得,粘弹部分则采用Maxwell模型来描述。通过单轴拉伸试验和多步松弛试验分别获得粘弹参数和超弹参数。将所建模型预测结果与试验结果相对比。结果表明:模型能很好地描述材料在20%工程应变范围内的力学特性,预测结果与试验结果最大偏差仅为5.6%,验证了模型的可靠性。