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。     

双脉冲发动机EPDM软隔层黏超弹本构模型

三元乙丙橡胶（EPDM）用于软隔层式双脉冲固体火箭发动机软质脉冲隔离装置（PSD）时,主要在Ⅰ脉冲工作时起到绝热抗烧蚀作用,同时保证Ⅱ脉冲能够可靠工作。根据橡胶类材料连续介质力学理论,建立了描述EPDM软隔层在有限变形下的黏超弹本构模型。模型由超弹部分和非线性黏弹性部分构成：超弹部分在Mooney-Rivlin模型的基础上进行了改进,使之能够描述大应变时的硬化现象;非线性黏弹性部分采用广义黏弹性模型,采用无量纲形式的KWW方程替代了传统的Prony级数,使得用2个参数就能预测较大应变率范围内的力学响应。利用万能材料实验机对EPDM软隔层进行了多步松弛实验和单轴等速率拉伸实验,然后根据实验结果,采用分步拟合的方法求出模型参数,利用所建立的本构模型对其余的实验结果进行预测并与实验结果进行比较,对比结果表明所建立的模型能较好地预测EPDM软隔层伸长比在800%以内的单轴等速拉伸响应。最后利用文献中的实验数据验证了所建立的模型能够较好地预测多种工况下的力学响应。     

粒子分离器鼓包柔性复合材料的本构模型研究

为了预测可变形粒子分离器鼓包复杂工况的力学行为,得到柔性帘线/橡胶复合材料结构的变形特性模型,基于连续介质力学的理论,建立了一种考虑帘线/橡胶之间剪切应变能的帘线/橡胶复合材料本构模型,通过ABAQUS的UANISOHYPER_INV接口编写各向异性超弹性材料的本构子程序,形成有效的帘线/橡胶复合材料的变形行为预测方法。结合橡胶材料Mooney—Rivilin本构模型,基于大变形不可压缩方法处理橡胶试验数据,运用最小二乘法拟合单轴拉伸试验数据,得到橡胶材料的参数C10=-0.27MPa与C01=1.12MPa;在橡胶超弹性本构的基础上,建立了帘线/橡胶复合材料的各向超弹性本构模型,并通过单轴拉伸试验拟合帘线和剪切应变能的参数;并进行单轴拉伸试验验证帘线/橡胶复合材料的各向超弹性本构模型。结果表明:拉伸变形量在20%内,数据吻合较好,进一步证明所建本构模型的准确性,为可变形粒子分离器鼓包有限元仿真分析奠定理论基础。     

改性双基推进剂黏弹-黏塑性本构模型

为了表征改性双基推进剂的力学行为,推导出改性双基推进剂黏弹-黏塑性本构模型。利用一系列蠕变-回复试验,将材料的总应变分离为黏弹性应变和黏塑性应变,使用最小二乘法获得了黏弹性参数,使用Nelder-Mead单纯形优化算法,结合后向Euler数值方法获得了黏塑性参数。通过不同应力水平和不同加载时间的蠕变-回复试验对模型进行了验证,结果表明,在应力水平较低或加载时间较短的情况下,模型预测与试验值变化趋势基本一致,模型获得的黏弹性应变与黏塑性应变在总应变中所占的比例与试验吻合。改性双基推进剂黏弹-黏塑性本构模型能够在一定范围内描述材料的力学性能。     

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。     

固体火箭发动机柔性接头的结构分析

为了进行固体火箭发动机柔性接头结构分析，建立了三维超弹结构有限元模型，用单轴拉伸与简单剪切橡胶材料试验数据，采用三阶橡胶本构模型，载荷跟随变形的方式处理驱动载荷方向的变化，给出了典型载荷状态下的计算结果。获得了柔性接头应力应变分布，随着容压增大，弹性件径向拉应力的区域迅速减少，获得相同转角的驱动载荷将会减小，该现象与试验结果吻合较好。     

直升机旋翼黏弹阻尼器时域动力学建模与分析

建立一种适用于旋翼气动弹性分析的黏弹阻尼器模型,该模型考虑了黏弹材料本身的刚度非线性及激振力频率和幅值对黏弹阻尼器应力-应变关系的影响。通过引入新型几何非线性弹簧模块,根据需要调整模型的刚度变化规律,避免了现有黏弹阻尼器模型模拟不同类型材料时因刚度变化规律差异而需重新建模的缺陷,模型适应性强。模型采用多个内变量场,既能体现阻尼器幅变特性,也能准确反映多频激励下的黏弹性特性。以两种不同类型黏弹材料制造的黏弹阻尼器为研究对象,在旋翼黏弹阻尼器的典型工作幅值和频率范围内,进行了简谐实验。利用建立的旋翼黏弹阻尼器非线性时域动力学模型,计算不同类型黏弹材料制造的阻尼器在多种应变幅值、频率下的动态特性并与实验相比较,分析了黏弹阻尼器损耗模量、储能模量频变特性和双频激励对阻尼器的影响。结果表明,建立的非线性黏弹阻尼器动力学模型能够更好地反映不同类型黏弹材料构成的黏弹阻尼器的动刚度和阻尼,适合于直升机旋翼载荷计算和气动弹性分析。     

脉冲子结构与有限元刚-弹混合连接的子结构方法

航天器结构的日益复杂庞大对系统级的动力学建模仿真以及进一步的结构优化提出了巨大挑战。为提高动力学求解效率,通常引用动态子结构方法。本文利用适于处理瞬态冲击问题的脉冲子结构(IBS)方法,并对其进行改进,将基于脉冲响应函数(IRF)的子结构与有限元建立的子结构综合,同时考虑刚性、弹性以及刚-弹混合连接情形下的子结构综合格式。通过3个数值算例,验证了方法的正确性。最后将刚-弹混合连接下的子结构方法应用到月球探测器软着陆的动态响应预测,结果表明该方法适于对月球探测器软着陆动态响应进行高精度快速预测,并且可以应用于月球探测器的局部动力学结构优化。     

橡胶隔振器黏弹性5参数分数导数并联动力学模型

以辅助动力装置(APU)橡胶隔振器为研究对象,建立了橡胶隔振器非线性分数导数动力学模型.提出了橡胶隔振器5参数分数导数频率相关性和振幅相关性并联模型.该模型能够使用较少的参数描述APU橡胶隔振器在宽广频率范围内的黏弹性特性.还分析研究了各参数对APU橡胶隔振器储存模量和损失模量的影响,利用数值求解的方法给出定量结果.研究结果表明并联模型能更好地描述APU橡胶隔振器宽广频率范围内的动态特性.为橡胶隔振器设计应用提供了理论基础.      

EPDM包覆层材料准静态压缩实验及力学模型研究

三元乙丙(Ethylene Propylene Diene Monomer,即EPDM)材料的力学性能对使用其作为包覆层的固体火箭发动机起到关键的作用。利用万能试验机进行EPDM包覆层材料常温下的准静态压缩实验,通过实验发现,EPDM包覆层材料具有明显的超弹特性和率敏感特性。提出采用超弹模型来描述材料压缩变形下的力学性能,通过比较Mooney-Rivlin模型、Ogden模型和Polynomial模型的拟合结果,发现二阶Polynomial超弹模型的精度最高,故选取Polynomial超弹模型作为EPDM包覆层材料的本构模型,并考虑其率相关特性,拟合超弹及率相关两部分的材料参数。对比实验结果,发现压缩模型能很好地预测40%应变内的EPDM材料的力学性能。     

弹性件剪切模量随压力变化的试验分析

通过单轴拉伸与平面拉伸试验,得到了柔性接头弹性件橡胶材料“三阶五项式”超弹本构模型参数,通过有限元计算证明了该模型的优越性.为了获得柔性接头弹性件材料剪切模量随容压的变化规律,设计了双轴加载试验装置和表征柔性接头弹性件的三重片试件,进行了压缩剪切联合加载试验及有限元数值模拟.试验结果发现,橡胶材料的剪切模量并没有随压力的升高而减小,该现象与计算结果吻合较好.     

时变泊松比HTPB固体推进剂体积和剪切松弛模量反演

为表征HTPB复合固体推进剂泊松比的时间相关性，以经典积分型粘弹性本构模型为基础，开展了从单轴受力响应到体积和剪切松弛模量反演问题研究。运用径向基配置法和带近似奇异核的高斯求积公式求解反演问题的第二类Volterra积分方程。将获得的体积和剪切松弛模量导入Abaqus有限元软件并开展材料力学行为仿真。将有限元结果与单轴松弛、蠕变和等速率加载实验数据进行对比，验证反演方法的正确性。分析了粘弹性泊松比Prony级数参数对相对松弛模量的影响规律。结果表明，当泊松比与时间相关时，相对体积和剪切松弛模量曲线出现分离，其分离程度受长期与瞬时泊松比之差的影响，而分离快慢受泊松比迟滞时间影响。采用正确的体积和剪切松弛模量，经典粘弹性本构模型不仅能合理预测HTPB固体推进剂松弛和蠕变等粘弹性行为，还能正确反映泊松比的时间相关性。     

基于并行流变框架HTPB推进剂本构模型研究

基于并行流变框架提出了一种能够表征HTPB推进剂材料非线性变形行为的本构模型。基于Yeoh超弹性模型和Boyce流变模型建立了两节点HTPB推进剂本构模型;开展了HTPB推进剂定速单轴拉伸实验和松弛实验,利用单轴拉伸实验数据获取了本构模型参数,并对材料松弛行为进行了理论计算,结果表明,模型计算结果与和实验数据一致性超过90%。应用三维有限元法,采用本文模型、基于Prony级数的线性黏弹性模型和工程中使用的线弹性模型对拉伸实验和松弛实验进行了仿真分析,结果表明,在拉伸实验中当应变小于10%时三者一致性较好,大于10%时,所提本构模型可准确预示材料的变形行为,在松弛实验中本模型计算结果与实验数据一致性远高于基于Prony级数的线性黏弹性模型。理论分析和三维有限元仿真结果均表明,所建立的本构模型可以准确捕捉HTPB推进剂材料的非线性行为,可用于固体火箭发动机推进剂结构预示分析。     

带橡胶阻尼块压气机整流器振动特性分析

橡胶的动态特性及频率与应变相关。为了研究航空发动机带橡胶阻尼块整流器叶片结构的振动特性,使用有限元仿真 和试验相结合的方法,建立了适用于此结构的动态模型,分别使用硅橡胶N50、硅橡胶N60、天然橡胶N60和丁晴橡胶N60这4种 橡胶阻尼块对该结构进行了试验和仿真。对4种橡胶进行准静态拉伸试验,使用Neo-Hookean超弹性模型进行拟合得出C NH1 与最 大应变ε m 的3次多项式,带入ANSYS进行橡胶柱压缩仿真从而验证模型的可靠性;对橡胶进行动刚度试验,得出橡胶动态模量随 频率的增大而逐渐递增;建立非线性弹簧-分数导数模型,带入ANSYS进行迭代计算,并进行扫频试验,对得出的不同橡胶阻尼块 下叶片的第1阶共振频率的仿真结果和试验结果进行对比可知,模型的计算误差均小于5%。综合分析表明：非线性弹簧-分数导 数模型能够准确地描述带橡胶阻尼块整流器叶片结构的振动特性。     

流变模型对航空润滑油拖动系数计算的影响

模拟航空发动机轴承多种工况,测量了润滑油的拖动系数,并利用多种流变模型对拖动系数进行了理论计算。结果表明：弹流工况下,航空润滑油在滑滚比较小时表现为黏弹性,滑滚比较大时表现为黏性;流变模型的选择对于拖动系数的计算结果具有重要影响;不适合采用牛顿模型来预测弹流工况下润滑油的拖动系数;目前为止,在整个工况范围内采用Johnson-Tevaarwerk模型预测润滑油的拖动系数精度较高,但热效应较显著时预测热效应区的拖动系数有较大误差,该模型还需进一步完善。     

黏弹阻尼器拉压疲劳损伤三维成像分析

采用显微CT(micro-computed tomography)对阻尼器结构分段进行了三维观察,成像分辨率为91.89 μm。通过三维分割成功提取了橡胶层空隙、开裂缺陷,并定量分析空隙缺陷的直径、总体积等几何特征参数。为了提高成像分辨率,对单个空隙缺陷进行局部高分辨显微CT成像及三维可视化分析,获取单个空隙形貌信息。结果表明:黏弹阻尼器以产生脱黏、空隙、开裂缺陷为主,上、下段橡胶层空隙最大直径分别为13.12、12.21 mm,发现上、下段端部存在开裂现象,环状裂纹体向上延伸至橡胶层表面,向下延伸至铝合金内筒外壁。局部显微CT三维成像分辨率为20.85 μm,结果显示单个空隙表面形貌存在褶皱、凹坑现象,但未发现微小裂纹。DR(digital radiography)成像实验结果表明通过X射线切向照相检测黏弹阻尼器橡胶层脱黏、空隙缺陷是可行的。     

多层黏弹性复合材料结构阻尼性能优化设计

针对多层黏弹性复合材料结构阻尼性能设计优化问题,运用能量法既考虑其面内应变能,又考虑其横向剪切应变能,建立其损耗因子的计算模型,并用实验方法验证其挠度函数的可行性.然后以多层黏弹性复合材料结构的损耗因子最大化为优化目标,用改进遗传算法对其阻尼性能进行单变量和多变量优化设计.数值结果表明,应用遗传算法优化设计多层黏弹性复...     

HTPB固化胶片的超弹性本构模型

为描述HTPB固化胶片的力学特性,采用单轴拉伸试验方法,研究了载荷作用下的应力响应特征,建立了超弹性本构模型,并拟合试验数据得到超弹性本构参数;对比分析了Mooney-Rivlin和不同阶次的Ogden型应变能函数。结果表明,Mooney-Rivlin和二阶以上的Ogden型拟合的本构参数都能很好地表征HTPB固化胶片拉伸载荷下的力学行为,且Ogden型超弹性本构可用于预测HTPB固化胶片轻微压缩载荷下的力学特性。     

弹性耦合对复合材料旋翼前飞气弹响应及载荷的影响

 给出一套计算复合材料旋翼前飞气弹响应和桨榖载荷的方法,所用结构模型考虑横向剪切变形、剖面面外翘曲变形和复合材料弹性耦合的影响。气动模型采用准定常升力线理论和Drees线性入流模型,翼型升力、阻力系数来自风洞试验。构造出21自由度梁单元,应用Hamilton 原理推导出桨叶运动的有限元方程。在此基础上,研究弯曲-扭转和拉伸-扭转耦合对复合材料旋翼前飞气弹响应和桨榖振动载荷的影响。结果表明：弹性耦合对扭转方向的影响很大,对挥舞和摆振两个方向的影响很小;各种弹性耦合对桨榖振动载荷有着不同程度的影响,负的摆振弯曲 扭转耦合和正的拉伸 扭转耦合使桨榖垂直方向的振动载荷降低5%左右。     

基于鬃毛摩擦理论的环形橡胶减振器动态迟滞特性模型

对环形橡胶减振器的动态特性进行了理论建模。综合考虑材料的高弹特性、频率相关动态特性以及摩擦相关动态特性,并将形状因素的影响考虑在内,提出了一种基于鬃毛摩擦理论的描述减振器动态迟滞特性模型。比较以往的基于库仑摩擦理论的模型,该模型具有对摩擦速度依赖特性的描述能力,且能够预测摩擦应力在零速附近的非线性特征,使得拟合出的动态迟滞特性曲线具有很多微小的波浪特征。开展了测量减振器径向动态迟滞特性的试验,试验结果表明:环形橡胶减振器的实际动态迟滞曲线并非光滑的椭圆环,而是具有很多细微波浪的近似椭圆环,且在激振频率偏高时,波浪特征相对明显,验证了基于鬃毛摩擦理论的理论模型与实际情况的规律和趋势一致、特征相似。