复合材料层合板激光烧蚀后的三维逐渐损伤分析

基于ANSYS平台,针对复合材料层合板经激光烧蚀后造成损伤,建立参数化三维逐渐损伤模型对其进行强度分析.采用宏观应力的三维Hashin失效准则,判定层合板材料的损伤模式;对层合板材料性能进行逐步退化,运用总体破坏准则判定其失效.分析过程中,综合考虑了不同损伤模式及其相互关联性.结果表明,该方法能较好预测含损伤复合材料层合板的强度及破坏模式.     

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。     

高模量碳纤维单向板压缩失稳破坏界面模式验证分析

鉴于高模量碳纤维复合材料压缩强度实测值和理论计算值的较大误差，为了更好地分析高模量复合材料的压缩性能，针对纤维含量为69%的国产高模量M40J环氧单向板的纵向受轴压破坏的试件，用台式扫描电镜拍摄了单向板受压断裂时断裂面的照片，通过观察分析可知单向板在受压时由于纤维屈曲失稳产生了破坏。随后建立了单向板细观力学有限元模型，分析得到了单向板的弹性模量，并将强度极限试验值与经典的以纤维的小波长微失稳为假设的伸长型压缩强度和剪切型压缩强度等理论值做了对比，最后得到了与实测结果比较吻合的细观力学模型。相比较于单向复合材料经典压缩强度理论，采用这种圆柱组合体单向板有限元模型分析得出的高模量复合材料压缩性能更接近试验实测值，对于高模量复合材料的设计和应用有一定的参考价值。     

基于CRKSPH的炸药巴西压裂仿真研究

使用守恒型再生核粒子(CRKSPH)方法,结合弹脆性损伤本构模型,对PBX9501炸药标准巴西试验断裂过程进行了仿真,并对炸药内裂纹的产生和分布进行了预测。计算中,使用CRKSPH方法,可有效地提高计算精度和避免人工粘性误差;本构模型基于PBX9501炸药材料细观结构特征和破坏模式,并使用损伤参数D(单位面积上微缺陷的密度)来表征材料的破坏程度;计算结果中,试件断裂形式和中心点应力结果与文献中试验结果符合较好,而且加载速率对试件的断裂形式和断裂时间均有一定的影响。研究表明,CRKSPH方法在计算PBX9501炸药断裂损伤及裂纹扩展问题上有一定的工程实用价值。     

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。     

复合材料层合板的低能冲击损伤及剩余拉伸强度研究

针对复合材料层合板的冲击及冲击后的拉伸过程提出了一种全程分析方法。该方法应用三维逐渐累积损伤理论对层合板的冲击及冲击后含损伤层合板在拉伸载荷下损伤破坏的全过程进行分析,分析中没有对冲击后层合板的损伤状态做人为假设,而是把冲击后层合板的实际损伤状态直接用于剩余拉伸强度研究,从而不仅提高了最终失效载荷的预测精度,而且避免了为获得冲击后损伤状态参数所进行的大量试验,同时开发了模拟程序,该程序可以预测任意铺层角度、铺层厚度的层合板在冲击载荷及冲击后拉伸载荷下的逐渐损伤破坏过程和最终失效载荷。通过与已有文献结果进行比较,验证了方法及程序的正确性。     

缝合连接三维编织复合材料弯曲破坏形式分析

试验设计了相同搭接长度、不同缝合密度的几组缝合连接三维编织复合材料试件。研究了三维编织预制件的连接形式(缝合搭接连接和未缝合搭接连接)对三维编织复合材料弯曲性能的影响,并与三维整体编织复合材料的弯曲性能进行了对比。试验结果表明,与未缝合搭接试件相比,缝合连接试件的弯曲强度提高了20%~50%,弯曲模量提高了5%~15%。说明在预制件连接上,缝合工艺具有明显的优势。缝合连接试件与三维整体编织试件相比,弯曲强度下降了30%~50%,弯曲模量下降了10%~30%。同时,讨论了这些试件弯曲的破坏形式。     

复合材料层合板热-力作用下的失效研究

碳纤维复合材料力学性能优异,在航空航天等领域广泛使用,其在热-力联合作用下的损伤失效研究对于结构的损伤破坏和强度预测具有重要意义。发展了热力耦合条件下复合材料结构渐进损伤分析方法,建立了三维有限元热烧蚀模型,并验证了计算模型的可靠性;采用三维Hashin失效准则,结合材料刚度突然退化模式,建立了失效分析模型,仿真分析了热-力联合作用下复合材料层合板损伤演化全过程。结果表明,该方法不仅能够较好地模拟复合材料层合板从局部失效的萌生、扩展直至结构完全失效的全过程,而且可以直观地显示结构的损伤失效模式,预测结构在不同条件下的承载能力。     

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。
     

三维编织细编穿刺炭/炭复合材料拉伸与压缩性能及试件尺寸效应研究

通过对三维编织细编穿刺炭/炭复合材料的Z向和XY向进行的拉伸、压缩宏观实验,观测了不同载荷形式下和不同几何尺寸的试件的破坏模式和断口形貌,得到了材料在拉伸、压缩载荷下不同的破坏机理及材料的力学性能与试件几何尺寸的相关性。研究表明,材料Z向拉伸破坏时为平断口,XY向拉伸破坏时为台阶状断口,压缩载荷作用下Z向和XY向都为与受力方向成45°的剪切型破坏,Z向和XY向的压缩强度随试件的几何尺寸的变化具有相同的变化趋势,但Z向变化趋势较XY向更明显。所获结论为进一步进行该材料的刚度和强度预报以及强度准则的建立奠定了必要的实验基础。     

基于数字图像相关法的复合材料结构失效分析

针对纤维增强复合材料失效机理复杂的问题,采用数字图像相关法对拉伸试验中的复合材料表面位移进行数字化处理,建立了基于Hashin改进准则的结构模型,对比试验和仿真结果,分析试件的失效过程和机理。运用蒙特卡洛方法和有限元法,讨论并分析影响结果精度的因素。结果表明,数字图像相关法能够用于观察和分析复合材料结构的失效过程;基于Hashin改进准则的仿真模型与试验结果一致,可以作为进一步细观力学分析的基础;相对于其他结构参数,纵向拉伸强度对结果精度的影响更大。该结果可为复合材料可靠性分析提供理论参考。     

固体推进剂多失效模式相关的贮存可靠性评估

对丁羧(CTPB)推进剂的自然贮存数据进行分析,采用多失效模式相关的可靠性模型,根据推进剂的抗拉强度变化、燃速变化和密度变化导致推进剂失效以及这3种失效模式之间的相关性,对推进剂的贮存可靠性进行了评估,得到了丁羧推进剂可靠寿命约为10 a的结论。结果表明,考虑失效模式之间的相关性时,丁羧推进剂的贮存可靠度大于假设失效模式相互独立按串联模型计算的贮存可靠度,小于单一失效模式贮存可靠度的最小值,结果更加合理可信。     

超声速氟化镁红外头罩热强度失效判别准则研究

以超声速氟化镁红外头罩为研究对象,进行了热应力数值分析和电弧风洞试验。比较了计算值与试验结果,结果表明:与第四强度理论相比,第一强度理论和莫尔强度理论更适于作为超声速氟化镁红外头罩的材料失效判别准则。     

不完整结构系统刚度可靠性分析

基于结构强度可靠性分析的基础之上，提出了不完整结构(结构系统中有部分元件已失效，但结构未变成机构仍具有一定的承载能力)刚度可靠性的分析方法。该方法考虑了元件因强度失效对结构系统刚度可靠性的影响，以条件概率的形式给出了不完整结构因刚度失效所对应的模式失效概率。并且导出了条件概率所对应的等效安全余量的形式，进而计算在各失效历程中的各失效模式之间的相关性和刚度失效概率。算例表明这样分析符合结构在变成机构之前在使用各阶段刚度可靠性的真实情况，为结构的合理利用起指导作用。     

航天器机构固体润滑球轴承磨损失效模型

根据赫兹接触理论和运动学基本原理,推导了固体润滑球轴承的接触应力和滑动速度公式。基于“航天器机构固体润滑球轴承的失效主要取决于固体润滑膜磨损”的分析结论,建立了固体润滑球轴承的磨损失效模型,并用已有的试验数据进行了初步验证。     

空间机械臂关节故障引起速度突变的抑制

针对空间机械臂关节发生故障后的末端速度突变问题,提出一种基于退化雅克比矩阵的突变抑制方法。首先利用旋量理论建立空间机械臂的通用运动学模型,然后通过重构数学模型和调整控制模型与运行参数,引入补偿项,实现模型重构和在线调整中的平滑特性。并且开展了机械臂正常运行、故障运行和故障后抑制运行这三种工况下的控制仿真。结果表明,此方法对于实现单关节故障状态下机械臂末端速度突变抑制是有效的,对提高任务完成的连续性能力和降低故障影响具有重要的在轨应用意义。     

有位移约束结构的可靠性分析

本文从增量载荷法的原理出发，对于具有位移约束的结构体系，通过引入“广义元”的概念，提出了计算其刚度破坏承载能力的方法，使结构体系的可靠性分析范围扩展到强度和刚度要求并存的情况，物理概念清楚，方法有效，通过算例阐述了该方法的应用。     

空间原子氧环境对太阳电池阵的影响分析

空间原子氧是危害低地球轨道（LEO）航天器在轨性能的最主要空间环境因素之一,其强氧化性能够对包括太阳电池阵在内的航天器外表面暴露材料和组件造成危害。文章分析了某载人航天器在轨原子氧环境、原子氧对不同结构太阳电池阵所用材料的影响以及对太阳电池阵组件电性能的影响,结果表明原子氧对材料的作用能够引起太阳电池阵基板强度降低、电连接可靠性下降及电缆线护套失效等风险,材料的损伤会导致太阳电池组件电性能的下降。鉴于以上结果,作者建议在今后LEO长寿命航天器太阳电池阵研制中,应对原子氧环境条件进行详细设计;同时开展组件级试验,以对电池阵原子氧防护设计的有效性进行验证。     

Modelling of Spall in an Anisotropic Aluminium Alloy

Spall caused by hypervelocity impacts at the lower range of velocities could result in significant damage to spacecraft. A number of polycrystalline alloys, used in spacecraft manufacturing, exhibit a pronounced anisotropy in their mechanical properties. The aluminium alloy AA 7010, whose orthotropy is a consequence of the meso-scale phase distribution or grain morphology, has been chosen for this investigation. The material failure observed in plate impact was simulated using a number of spall models. The Hugoniot elastic limit and spall strength have been studied as a function of orientation, and compared to experimental results.