复合固体推进剂双参数断裂准则研究

针对复合固体推进剂裂纹尖端的损伤特性,基于Dugdale模型建立了一个复合固体推进剂双参数断裂准则。通过单轴拉伸试验和单边断口断裂试验求得了双参数断裂准则中的两个材料参数。利用该准则对含有不同长度裂纹试件的破坏载荷进行预估,其结果与试验结果吻合得很好。
     

2024-T3铝合金拉伸及剪切断裂行为

2024铝合金材料在拉伸和扭转载荷作用下表现出截然不同的失效机理。结合试验和数值方法,研究了应力状态对2024-T3铝合金韧性断裂行为的影响规律。首先,对圆棒和薄壁圆筒试验件分别进行了拉伸和扭转试验,从断面形貌以及断裂应变与应力状态间关系两个方面,考察了应力状态对2024-T3铝合金断裂机理的影响规律。然后,基于Gurson理论在商业有限元软件ABAQUS中开发了同时适用于拉伸和剪切断裂模式的细观损伤本构,对2024-T3铝合金的弹塑性响应和裂纹扩展路径进行了数值分析。与试验结果对比研究表明,本文发展的细观损伤本构能够较好预测延性金属材料在多种应力状态下的损伤破坏过程。     

针刺C/C复合材料高温力学性能试验及本构关系

为研究针刺C/C复合材料高温下力学性能,通过C/C材料试件不同温度下的拉伸、压缩及剪切性能试验,观察试件在高温和外载荷作用下的破坏模式,获得了材料不同温度下的应力-应变曲线。基于对Jones-Nelson-Morgan模型改进并引入温度系数,建立了C/C复合材料高温本构关系模型,并与试验结果进行了对比。结果表明,在温度≤1800℃,针刺C/C材料为线弹性本构关系,C/C材料拉伸、压缩及剪切强度均随温度的升高呈先升高、后降低趋势,在温度≥1600℃后,强度逐渐降低;建立的高温本构模型计算结果与试验结果吻合较好; C/C材料整体表现为脆性破坏,拉伸破坏纤维拔出尺寸较短,压缩破坏断口呈现45°豁口。     

复合材料裙级间连接结构强度预测

针对复合材料裙级间螺栓-柱销连接结构试件,建立了三维有限元逐渐损伤模型。该模型可模拟试件损伤起始、发展及最终破坏的整个过程,并能较好预测试件破坏的模式和强度。该模型包括应力分析、失效判定准则和材料性能退化3个步骤,采用该模型对试件进行了损伤扩展分析和强度预测,计算结果与实验结果较吻合。     

磁力矩器用磁性材料力学性能研究

为确定用于磁力矩器的铁镍合金、铁钴合金和铁铝合金3种磁性材料的力学性能,对它们进行了力学拉伸试验,发现材料塑性不同会对试件断裂位置产生一定影响,主要表现为塑性材料在设计薄弱部位断裂,而脆性材料在夹持应力集中位置断裂。根据这一结果,对拉伸试验进行有限元模拟分析,计算结果表明导致断裂位置差异的原因主要是设计薄弱部位的长度以及试件夹持部位出现应力集中。依据有限元计算结果,对试件进行了改进设计并重新模拟计算,结果显示,改进后的3种合金材料试件在拉伸试验中其断裂部位均出现在设计薄弱部位。铁钴合金试件改进后的拉伸试验也充分验证了模拟计算的准确性。由此给出了3种材料合理的力学性能参数。     

芳Ⅲ编织绳动态拉伸性能研究

芳Ⅲ编织绳是常见的降落伞伞绳材料，在开伞过程中承受较大的冲击载荷，为研究其动态拉伸性能，文章以3.5-750芳Ⅲ编织绳为例，进行了动态拉伸试验及仿真模拟。首先使用万能强力机对3.5-750芳Ⅲ编织绳开展了4个不同应变率工况下的动态拉伸破坏试验，获得拉力-等效应变曲线，研究发现随拉伸应变率的增加，编织绳的断裂强力和弹性模量均增大，而断裂应变和韧性均减小。随后利用ABAQUS软件，建立了芳Ⅲ编织绳的纱线级有限元模型，依据试验结果对Johnson-Cook动态本构模型进行拟合及参数修正，并应用于编织绳动态拉伸破坏仿真，得到不同应变率下的仿真结果。与试验对比，研究表明，拟合、修正得到的Johnson-Cook动态本构模型可有效地模拟柔性编织绳动态拉伸行为，为柔性编织绳的动态力学性能研究提供了仿真手段。     

用于推进剂—包复层粘结破坏的改进的最大主应力破坏准则

通过采用改进的最大主应力破坏准则,改进了固体火箭发动机推进剂—包复层—绝热层粘接系统的结构表征方法。连同模拟药柱—壳体加载状态试件的研究,这种工程分析方法得到了发展。航空喷气战略推进公司目前使用这种方法来计算发动机粘结面的最大法向应力分量和最大切向应力分量。然后把计算值分别与粘结试件的抗拉和抗剪试验测定的断裂应力值进行比较。为了同时测得拉伸应力分量和剪切应力分量,按一定角度拉伸试件,所得粘结试验数据表明,这种方法可以通过使用适当的应力集中因子加以改进。这些应力集中因子由粘结试件的有限元分析来确定。用类似的方法可以证明,这种改进的最大主应力破坏准则可精确地模拟各种拉伸角和压力下的试件粘结破坏。文中给出了评价这些及其他破坏准则的试验程序和分析方法。     

复合推进剂微裂纹损伤本构模型研究

基于线弹性断裂理论，提出了一个适合复合固体推进剂的脱湿微裂纹损伤发展方程，通过部分单向定速拉伸试验数据拟合确定其主要的细观参数，从而得到了复合固体推进剂在细观水平上完整且封闭的本构方程组。该模型不仅得到了单向拉伸试验结果的验证，而且在较大范围内可有效地预测不同应变率下的单轴定速拉伸力学性能。     

包含细微缺陷的碳纤维增强复合材料管件结构弯曲性能表征

碳纤维增强树脂基（CFRP）复合材料管件结构力学性能受其内部细微缺陷的影响。对前期经历过恒温蠕变（25℃、60℃、100℃）和温度循环蠕变试验（-60℃~100℃）的CFRP管件，开展准静态弯曲加载测试和微观观测研究，分析细观缺陷对管件弯曲性能的影响。在此基础上，对CFRP管件中的基体微裂纹和微孔洞开展理论建模，建立包含特定微裂纹密度和孔隙率的复合材料层合结构本构关系。以基体裂纹和平面圆形孔洞为例，分析了两种细观缺陷对材料刚度性能的影响，与文献中的实验结果对比表明，上述损伤模型能够预测由于微裂纹和微孔洞引起的材料刚度性能下降。进而以微裂纹密度和孔隙率为内变量，建立兼顾微观损伤响应和宏观性能表征的CFRP管件力学性能分析模型，运用有限元方法计算CFRP管件弯曲模量和弯曲强度，结果表明，该模型能够有效预测CFRP管件由蠕变损伤导致的弯曲性能变化。     

固体火箭发动机撞击变形及装药内部热点形成数值分析

以热粘弹理论和动力有限元法为基础,结合机械撞击载荷下固体推进剂裂纹摩擦热点细观模型,分析计算了发动机壳体和装药结构撞击变形及装药内部热点形成,确定了产生高温热点撞击临界速度。计算模型中考虑了推进剂初始弥散细观裂纹离散、裂纹扩展对推进剂宏观力学性能影响、基体粘性加热对热点形成影响等问题。通过与高能炸药Steven撞击试验结果进行对比分析,证明了理论模型及计算方法的有效性。计算了某小型发动机撞击试验临界速度。     

含损伤非线性粘弹性本构模型及数值仿真应用

提出了一种含累积损伤的非线性粘弹性本构方程,通过数值展开,获得该应力更新方程和切线模量矩阵,利用FORTRAN语言编制了自定义材料本构模型子程序,将子程序融合到ABAQUS软件中进行有限元数值仿真。通过验证试验证明了所建立的非线性粘弹性本构方程及数值方法的准确性和实用性,为装药结构完整性数值仿真提供了较为精确的本构模型及材料子程序。     

双脉冲发动机EDPM软隔层含率相关能量限制器的黏超弹本构模型

在软隔层式双脉冲发动机中的设计过程中,软隔层的变形及破坏是一个很重要的问题。传统的表征橡胶类材料的超弹本构模型不能准确描述软隔层在工作过程中的变形及失效行为。为此,在Volokh等提出的含能量限制器的黏超弹本构模型的基础上,引入含率相关项的能量限制器,使其能够描述EPDM软隔层在单轴拉伸时的断裂伸长率的率相关性。为获取模型参数,进行了单轴拉伸试验,并采用最小二乘法拟合出模型参数。最后,利用所建的本构模型与试验结果进行了比较,比较结果表明模型能较好地预测EPDM在单轴拉伸时的失效行为。     

晶须增韧陶瓷的微裂纹演化及本构描述

本文利用作者改进的等效夹杂理论研究了含随机分布晶须和微裂纹陶瓷的微裂纹演化及由其引起的材料本构非线性，定量计算了热残余应变、晶须含量及尺寸比的影响，对材料的微裂纹演化及破坏过程进行了数值模拟，得到了一些有意义的结论     

基于损伤的HTPB推进剂／衬层界面内聚法则构建

为提高丁羟（ HTPB）推进剂／衬层界面数值仿真结果的准确性,首先改进了单搭接试件,通过剪切实验获取界面断裂参数,而后分别采用双线型模型和指数型模型对试件进行数值研究,进行影响分析,并在此基础上建立了一种基于损伤变量的自定义内聚力模型,使模型具有了明确的物理含义。结果表明,改进的单搭接试件能够测定柔韧粘接件的II型断裂参数;II型界面断裂时,内聚力曲线形式与实验曲线形式一致;该基于损伤的内聚力模型能够比双线性模型和指数型模型更准确地反映HTPB推进剂／衬层界面的II型断裂性质。     

平面机织复合材料在剪切载荷下损伤刚度折减分析

采用三维实体有限元方法,结合周期性边界条件,分析了平面机织复合材料在剪切情况下损伤的起始、扩展、直至最终破坏的全过程。分析中抛弃了以往损伤研究中采用的“单元消失“技术,对破坏的基体单元和纤维束单元均按方向进行刚度折减。制作了纵横剪切试件并进行了相应的试验。计算结果和试验结果吻合良好,证明研究方法的正确性。     

考虑孔隙缺陷三维编织C/C复合材料渐进损伤及强度预测（英文）

为研究三维编织C/C复合材料单轴拉伸渐进损伤与失效强度,考虑了材料内部纤维增强相、基体相和界面随机孔隙缺陷,建立了三维编织C/C复合材料单胞有限元模型。基于Linde等人提出的破坏准则描述纤维束纵向拉伸剪切破坏和横向破坏,基体采用最大主应变破坏准则,界面采用双线性内聚力本构模型和二次应力破坏准则,建立了与单元特征尺度、局部应变以及断裂能相关的指数型损伤演化律。采用有限元法结合周期性边界条件模拟了材料细观损伤起始、演化与失效过程,并预测了材料轴向拉伸强度。结果表明;材料轴向拉伸强度主要由纤维棒纵向拉伸强度控制,与不考虑材料孔隙缺陷的模拟结果相比,考虑材料孔隙缺陷的强度预测值与实验值更加接近,此外,孔隙缺陷对材料拉伸强度的影响大于对拉伸模量的影响。     

掺杂缺陷对PBX性能影响的分子动力学研究

为了研究掺杂缺陷对高聚物粘结炸药(PBX)性能的影响,采用分子动力学方法计算得到了掺杂率不同的PBX模型的溶度参数、结合能、爆轰参数和力学参数,并进行了比较。结果表明,掺杂缺陷使得PBX中主体炸药与添加剂之间的溶度参数差值增大,表明它们之间的相容性变差,且变化程度与掺杂率有关;掺杂缺陷对PBX爆轰性能的影响不是单调的,掺杂率为1.25%和2.50%时,PBX的爆轰性能变好;掺杂缺陷导致PBX的力学参数随掺杂率的增加而减小,拉伸模量、体积模量、剪切模量、柯西压及体积模量和剪切模量之比的减小幅度分别为0.19～2.66 GPa、0.06～0.25 GPa、0.08～1.09GPa、0.08～0.55 GPa以及0.05～1.17,表明PBX的刚性与延展性变差,力学性能恶化。掺杂缺陷对PBX的相容性、爆轰性能和力学性能将产生影响。     

Kevlar层合板超高速撞击数值建模及参数识别

针对Kevlar层合板在超高速撞击条件下的力学特性的复杂性及参数不准确对数值仿真的不利影响,提出一种使用正交各向异性本构模型,Chang-Chang复合材料失效模型和有限元方法对Kevlar层合板的超高速撞击力学特性进行建模并运用连续响应面技术对材料失效模型参数进行识别的方法.然后使用该方法建立了与现有文献中的试验工况相对应的数值模型,并把Kevlar层合板材料失效模型的4个参数作为优化变量,以仿真结果与试验结果的二乘残差最小作为优化目标,使用连续响应面技术建立参数优化模型,由此识别这些参数.结果表明,该建模方法能正确描述Kevlar层合板的超高速撞击力学特性,采用识别后的参数进行仿真计算可以显著提高数值模型的仿真精度.     

T800碳纤维/PEEK热塑性复合材料的拉伸与剪切失效行为研究

采用T800碳纤维/聚醚醚酮(T800/PEEK)预浸料，以高温、模压方式制备了热塑性单向复合材料，通过拉伸、面内剪切试验方法对其模量和强度进行了测试分析，得到了不同载荷形式作用下的宏观失效破坏模式。针对T800/PEEK复合材料的微细观结构特点，建立了有限元代表性体积单元模型(RVE)和碳纤维、PEEK基体以及纤维/基体界面三种材料的本构关系，基于渐进损伤失效模型和内聚力模型得到了单轴拉伸/压缩、面内剪切载荷作用下单元模型的应力应变曲线和微细观失效模式。相比于试验测试结果，有限元模型预测得到的拉伸模量/强度相差最大为11%,剪切模量/强度相差最大为5%。     

压力载荷下模压高硅氧酚醛喷管裂纹稳定性分析

为了进行模压高硅氧喷管裂纹压力载荷下的稳定性分析,对模压髙硅氧材料开展了I型断裂韧性测试,获得了J积分试验数据,特别针对试件的设计、制造、实验参数、数据处理等进行了详细讨论.最后,利用ABAQUS软件的裂纹分析模块,对某发动机的模压高硅氧材料的喷管裂纹进行了稳定性分析,给出了基于断裂参数的模压髙硅氧喷管的安全系数,通过热试车验证了该方法在工程上具有应用性.