含Ⅰ型裂纹复合固体推进剂双轴拉伸实验研究

开展了复合固体推进剂含Ⅰ型裂纹拉伸实验研究。采用不同拉伸速率,获得双向拉伸极限特性主曲线和应力—应变破坏曲线,为推进剂材料破坏分析的经验准则提供判据。结果表明,如果复合固体推进剂的断裂阻力被看作是材料常数,则裂纹驱动力必受到平行于裂纹之应力的影响,在一定范围内裂纹驱动力与平行应力成反比关系。当平行应力超过屈服应力以后,因平行应力太大超过了损伤阀值,在推进剂中造成了损伤,从而断裂韧性下降。     

定应力幅值往复拉伸过程中推进剂的损伤扩展

对复合固体推进剂进行不同应力幅值条件下的纯复拉仲试验,找出加载过程中往复拉伸曲线、特征应变以及耗散能的变化规律,以分析定应力幅值往复拉伸过程中推进剂的损伤特性.结果表明:往复拉伸过程中耗散能的变化反映了推进剂在不同拉伸应变下损伤形式不同,往复过程中的耗散能主要由基体的粘性耗散与破坏提供,应力幅值与往复拉伸寿命的对数之间...     

不同拉伸速率下改性双基推进剂的力学特性

为研究改性双基推进剂力学性能的率相关性,开展了不同速率下改性双基推进剂单轴拉伸力学性能试验,并利用扫描电镜对拉伸断面的形貌进行了观察,分析了拉伸速率对推进剂力学性能以及断面形貌的影响,以及不同拉伸速率下的破坏模式。结果表明：随拉伸速率的增加,推进剂应力-应变曲线逐渐出现应变强化现象,且现象越来越明显;推进剂的初始模量、强度随拉伸速率的增大呈现上升趋势;推进剂的断裂伸长率随拉伸速率的增大,呈现先上升后下降的趋势,在0.24%·s-1应变速率附近达到极值;随拉伸速率的增大,推进剂的破坏模式分别表现为颗粒“脱湿”、基体断裂、颗粒断裂。     

定应变贮存条件下HTPB推进剂延伸率老化模型研究

为研究定应变对HTPB推进剂最大延伸率的影响,开展了3%,6%和9%定应变水平下HTPB推进剂方坯加速老化试验,建立了推进剂最大延伸率的老化模型,并通过试验数据拟合,分析了定应变和温度对各模型参数的影响规律。结果表明:定应变的物理拉伸作用对推进剂的最大延伸率有明显的提升作用,其提升幅值与定应变水平和老化温度呈线性关系。物理拉伸对最大延伸率的提升作用具有明显的力学松弛特性,近似呈指数规律。推进剂在老化过程中存在一介于65℃与70℃之间的临界温度,当老化温度低于临界温度时,定应变对推进剂的延伸率老化速率几乎没有影响;老化温度高于临界温度时会降低延伸率老化速率。     

基于累积损伤模型的NEPE推进剂温度及率相关破坏准则研究

建立考虑温度及应变率因素的适用于粘弹性固体推进剂的破坏准则,通过对NEPE复合推进剂试件在6组不同环境温度(-50~50℃)下进行了5组不同拉伸速率(1~500mm/min)的等速率拉伸破坏试验,结合试验数据获取损伤模型参数,建立了考虑温度及应变率因素的基于累积损伤的结构强度准则。并利用建立的损伤模型来预测推进剂试件在选定温度(20℃,-50℃)及应变率条件下(20mm/min,200mm/min)的破坏情况,预测结果与试验数值吻合较好,说明该损伤模型能够较好地描述NEPE推进剂材料的破坏过程,可在一定温度(-50~50℃)及应变率(1~500mm/min)范围内作为一种普遍适用的推进剂破坏准则。     

复合固体推进剂的破坏过程(反复拉伸产生的破坏能量)

在固体火箭发动机的研制中,为了确定固体推进剂的破坏标准,有必要研究其破坏过程。从这种观点出发,本文把破坏过程作为一个研究课题。我们选用了含有细颗粒填料的大推力可控型固体火箭发动机用CTPB(端羧基聚丁二烯)系复合固体推进剂。通过多次反复拉伸试验,弄清了它的应力-应变特性、破坏能等力学性质。实验结果表明:不仅对固体推进剂的破坏过程有了新的认识,而且在预测试验用推进剂的物性、强度方面也得到实际应用。     

基于累积损伤的双基推进剂强度准则及实验

国内在对固体火箭发动机装药结构完整性分析时,强度判断准则基本采用传统的结构强度准则,这些强度准则并不能很好地反映固体推进剂材料的强度破坏过程。该文对双基推进剂试件进行了若干不同拉伸速率下的等速率拉伸破坏试验,结合试验数据获得损伤方程参数,建立了基于累积损伤的结构强度准则。并利用损伤方程预测试件破坏情况,和试验值吻合较好,说明该基于累积损伤的强度准则能够较好地判断双基推进剂材料的破坏。     

基于扩展有限元的改性双基推进剂的开裂过程模拟研究

为研究和模拟改性双基推进剂(CMDB)在准静态条件下的断裂特性,利用扩展有限元XFEM技术,建立了中心直裂缝含加载平台的圆盘形三维模型。基于线粘弹性理论,通过单轴拉伸实验直接获取改性双基推进剂的最大拉应力8.21MPa,作为仿真模型中裂纹粘聚区的断裂强度,模拟了固体推进剂在静态加载条件下裂纹实时扩展过程。结果表明实验和仿真过程中裂纹均首先呈I型扩展,最后以复合断裂形式扩展失效。讨论了推进剂在压缩断裂过程中裂纹扩展区的应力变化对裂纹扩展的影响,发现实验预期结果与仿真结果符合性良好,说明扩展有限元法能够为改性双基推进剂断裂过程的数值模拟提供新的方法。     

双向应力状态下IC10高温合金的屈服行为研究

 为了研究Ni₃Al基金属间化合物IC10高温合金的屈服行为,对其进行了不同加载路径下的双向拉伸试验.试验采用十字形双向拉伸试验件在Zwick/Roell Z010双向拉伸试验机上进行,得到的最大等效应变为0.02.试验加载方向与材料塑性各向异性主轴重合,采用位移控制方法让两个夹头的加载速率比保持不变,得到不同线性加载路径下的应力-应变曲线.根据单位体积塑性功相等原理获得了IC10合金在双向拉伸应力状态下的屈服轨迹,并与目前常用的几种正交各向异性屈服准则及von Mises屈服准则预测结果进行了对比.结果表明,IC10合金的试验屈服轨迹呈外凸性,以双向等拉线为界的上下部分屈服轨迹不对称,显示出明显的塑性各向异性.各向同性von Mises 屈服准则只包含一个材料常数,无法描述IC10合金的塑性各向异性行为;Hill 二次式屈服准则在双向等拉应力状态附近低估了材料的屈服强度;Logan &; Hosford屈服准则在从双向等拉到横向单拉的应力状态下都低估了材料的屈服强度,与试验结果相差较大.Banabic-Balan屈服准则和Barlat (1989) 屈服准则的预测值与试验结果吻合很好,能很好地描述IC10合金在双向应力状态下的屈服行为.     

低温高应变率条件下HTPB推进剂拉伸力学性能研究

为研究固体推进剂在低温高应变率条件下的力学性能,通过单轴拉伸实验和扫描电镜(SEM)断面观察,分别获取了HTPB推进剂在温度范围为-40~25℃及0.4~14.29s-1应变率下的应力-应变曲线和拉伸断面形貌。结果表明,HTPB推进剂的力学性能具有明显的温度和应变率效应。随温度降低和应变率升高,应力-应变曲线特性变得更加复杂,断面形貌基本上呈现"脱湿"越困难、颗粒断裂越明显的规律,低温和高应变率的"耦合"作用使得推进剂的损伤变得更加严重。初始弹性模量E和最大拉伸应力σm随温度的降低和应变率的升高而逐渐增加,且均与应变率具有相对较好的线性对数关系。低温和高应变率的"耦合"作用,使得-40℃及14.29s-1条件下的初始弹性模量和最大拉伸应力分别为25℃及0.4s-1条件下数值的1.6倍和3.2倍。与模量和强度相比,应变的规律性较复杂,其值随温度的升高而增加,且在常温下随应变率的升高而增加,但在低温下随应变率的升高而降低。通过双因素方差分析表明,低温高应变率条件下,温度和应变率均对最大拉伸应力有更显著的影响,同时温度较应变率对最大拉伸应力影响更加明显,而对模量则较弱。基于时温等效原理,得到了低温高应变率条件下HTPB推进剂的拉伸力学性能主曲线,该主曲线较大地拓宽了对推进剂力学性能的预测范围。     

超声疲劳试样设计

介绍了超声疲劳试样的设计计算方法,给出了谐振状态下不同形式、尺寸试样中沿其谐振长度方向的位移、应力分布。结果表明:狗骨形试样中,中间等截面段尺寸对试样中应力的大小、分布影响很大。分析狗骨形试样应力放大系数表明,应力放大系数随着试样中间等截面段直径的减少会有显著增加,随着试样中间段长度的增加,应力放大系数也相应降低。     

直升机结构承载能力研究

介绍用迭代方法求解直升机结构承载能力的过程,求解非线性方程。计算时,首先假定结构是给定的,求出结构最大承载能力;以某一直升机模拟试验件为例,算出各试验件每一元素的应力、位移、屈服情况、失稳部位随着加载过程而变化情况以及最大承载能力等。计算结果与试验结果吻合很好。     

Residual stress indentation model based on material equivalence

A novel residual stress indentation model for conical indentation loading is proposed to describe the relationship between the residual stress, material constitutive parameters, load, and displacement for materials with a uniaxial constitutive relationship that obeys Hollomon’s power law (H-law). The novel model was established based on the principle that the equivalent material without residual stress corresponds to the original material with residual stress, conical indentation theoretical model based on energy density equivalence, and an assumed power-law relationship between the dimensionless residual stress and relative difference of the yield stresses of the equivalent material and original material. Sixty imaginary H-law materials with ten equibiaxial and ten uniaxial residual stresses were investigated by Finite Element Analysis (FEA). The residual stresses predicted by the novel model from the indentation load–displacement curves simulated for the imaginary materials are in close agreement with those applied by the FEA. Finally, indentation tests for Cr12MoV steel, 45 steel, and 6061-T6511 aluminum alloy were carried out on their specimens without residual stress and their bending specimens with equibiaxial and uniaxial residual stresses. The residual stresses predicted by the novel model according to the indentation load–displacement test curves are in good agreement with those applied by the tests.     

Analysis of crack opening stresses for center- and edge-crack tension specimens

Accurate determination of crack opening stress is of central importance to fatigue crack growth analysis and life prediction based on the crack-closure model. This paper studies the crack opening behavior for center- and edge-crack tension specimens. It is found that the crack opening stress is affected by the crack tip element. By taking the crack tip element into account, a modified crack opening stress equation is given for the center-crack tension specimen. Crack surface displace- ment equations for an edge crack in a semi-infinite plate under remote uniform tension and partially distributed pressure are derived by using the weight function method. Based on these displacements, a crack opening stress equation for an edge crack in a semi-infinite plate under uniform tension has been developed. The study shows that the crack opening stress is geometry-dependent, and the weight function method provides an effective and reliable tool to deal with such geometry depen- dence.     

Biaxial tensile behavior of Ti-6Al-4V under proportional loading

The biaxial tensile behavior of isotropic Ti-6Al-4 V is characterized in this paper. A novel cruciform specimen was designed and optimized to achieve uniform stress and strain distribution within the gauge area. Biaxial tensile tests were conducted at three different loading ratios by the biaxial testing machine. The Digital Image Correlation (DIC) technique was applied to determine strain distribution, and a high-speed camera was employed to record the fracture process. An Inverse Analysis (IA) approach with a combined experimental and numerical method was proposed to determine the true stresses at the gauge section of the specimen during biaxial tensile tests. The results indicate that the initial yield locus can be described by the Cazacu criterion accurately, whereas the Mises criterion can predict better the strengthening behavior of Ti-6Al-4 V in the first quadrant in the principal stress space.     

多处损伤特性的研究

对老龄飞机结构中存在的多处损伤 ( MSD)进行了研究。从 MSD试件的裂纹扩展实验中得出 :MSD服从净截面屈服破坏准则 ;MSD使剩余强度明显降低,临界裂纹尺寸大大减小,裂纹扩展寿命显著缩短,从而使损伤容限能力减退,破损安全不复存在。试用组合法求解 MSD裂纹的应力强度因子,并将其用于 MSD裂纹的扩展分析,所得裂纹扩展寿命计算结果与实验符合良好     

三维编织C／SiC复合材料剪切和压缩性能的试验研究

对三维编织C/SiC复合材料进行剪切试验和压缩试验,得到两组试验的载荷位移曲线以及剪切强度和压缩强度.实验发现,相同宽度的剪切试件,剪切厚度小的试件剪切强度比剪切厚度大的试件高;相同剪切截面的剪切试件,XY剪切强度高于YX剪切强度;横截面积相同,高度不同的压缩试件在X方向的压缩强度相差不大.对三维编织C/SiC复合材料热端构件进行分析,结果表明,构件的压缩强度和剪切强度都能满足强度要求.     

耦合蠕变损伤的Chaboche粘塑性本构方程的应用

为了改善 Chaboche粘塑性统一本构方程描述第三阶段蠕变的能力 ,按照 Lemaitre有效应力的概念 ,采用 Kachanov损伤演化方程 ,推导了耦合各向同性损伤因子的 Chaboche粘塑性流动方程和硬化方程。当耦合损伤时 ,内变量演化方程形式不变 ,并不显含损伤因子 D。将之用于镍基高温合金 Udimet72 0 Li的蠕变描述 ,得到了该合金的蠕变损伤参数。通过对双轴试样的有限元计算 ,发现了 Kachanov损伤演化方程对单轴和多轴蠕变的预测并不协调。在损伤演化方程中引入多轴损伤因子得到了与实验数据基本一致的蠕变寿命结果。     

基于有限元法的金属材料静强度破坏准则应用研究

根据1种基于有限元法的金属材料静强度破坏准则,设计了2种净截面积相同的缺口试件,用弹塑性、大应变、大变形的非线性有限元方法对试件在静载荷作用下的破坏载荷进行了计算,并进行了试验验证。计算结果与试验结果相比误差很小,很好地验证了基于有限元法的金属材料静强度破坏准则。