基于压电纤维复合材料的航天器动力学建模与振动抑制

压电纤维复合材料(MFC)在柔性航天器的振动主动抑制中具有很好的应用前景。利用哈密顿原理和压电驱动的载荷比拟方法,建立了带MFC压电驱动的离散形式的刚柔耦合动力学方程,采用线性二次型最优控制(LQR)算法进行主动控制。结果表明：在航天器的柔性体受到脉冲载荷激励条件下,使用MFC驱动器可以实现航天器挠性振动的快速抑制,并且同时保持中心刚体姿态的稳定性,即能够实现挠性振动与姿态运动的协同控制。基于MFC的主动控制方法对于高频响应也具有较好的控制效果。对于柔性占优的航天器,采用MFC的主动控制优于被动控制。本文方法在处理具有复杂柔性体的航天器时更具优势,更适合于工程应用。     

SiC/CVD SiC复合涂层的抗氧化及抗热震性能研究

为了提高C/SiC复合材料耐高温性能,采用泥浆浸渍裂解与真空化学气相沉积(CVD)在材料表面制备了SiC/CVD SiC复合涂层,通过XRD、SEM分析了涂层组成与结构;研究了复合涂层的高温抗氧化(700～1 500℃)和抗热震性能。结果表明,泥浆浸渍法制备的SiC涂层具有一定的封孔效果,可使材料开孔率下降,但高温抗氧化效果并不佳,1 200℃氧化10 min后材料弯曲强度保留率下降明显仅有86%。CVD SiC涂层结构致密,与SiC封孔涂层结合较好,在700～1 500℃具有较好的抗氧化效果,随着氧化温度的升高,氧化后涂层完好,表面O元素逐渐增加,材料失重率缓慢增加但不大于0.5%,且材料性能并未下降。涂层材料在1 200℃-10 min短时热震5次后材料弯曲强度保留率仍有95%以上,且未出现开裂、剥落等热震损伤。在1 200℃-30 min长时热震10次后,涂层材料基本被完全氧化,材料失去保护作用,弯曲强度下降至90%左右。     

Cutting path-dependent machinability of SiCp/Al composite under multi-step ultra-precision diamond cutting

Particle-tool interactions, which govern the synergetic deformation of SiC particle reinforced Al matrix composites under mechanical machining, strongly depend on the geometry of particle position residing on cutting path. In the present work, we investigate the influence of cutting path on the machinability of a SiCp/Al composite in multi-step ultra-precision diamond cutting by combining finite element simulations with experimental observations and characterization. Be consistent with experimentally characterized microstructures, the simulated SiCp/Al composite is considered to be composed of randomly distributed polygonally-shaped SiC particles with a volume fraction of 25vol%. A multi-step cutting strategy with depths of cut ranging from 2 to 10 μm is adopted to achieve an ultimate depth of cut of 10 μm. Intrinsic material parameters and extrinsic cutting conditions utilized in finite element simulations of SiCp/Al cutting are consistent with those used in corresponding experiments. Simulation results reveal different particle-tool interactions and failure modes of SiC particles, as well as their correlations with machining force evolution, residual stress distribution and machined surface topography. A detailed comparison between numerical simulation results and experimental data of multi-step diamond cutting of SiCp/Al composite reveals a substantial impact of the number of cutting steps on particle-tool interactions and machined surface quality. These findings provide guidelines for achieving high surface finish of SiCp/Al composites by ultra-precision diamond cutting.     

C/C复合材料喷管烧蚀壁面退移流固耦合仿真研究

为了保障固体火箭发动机C/C喷管的可靠性,建立了一套正确反映发动机喷管烧蚀过程的流固耦合计算模型,以实现对喷管烧蚀率的高精度预估。依据热化学烧蚀理论以及喷管内燃气与喷管结构体界面的质量平衡和能量平衡关系,建立并验证了考虑壁面退移的C/C喷管流固耦合方法,实现了燃气流动、异相化学反应、结构体传热三者间的耦合。通过实验发动机喷管的烧蚀计算,论证了模型的正确性,并分析了不同金属铝含量对烧蚀率的影响,计算所得的烧蚀率与实验值最大相对误差为4.3%,与不考虑壁面退移的耦合算法计算结果对比,计算精度最高可提升46%。计算结果表明：C/C喷管在喉部附近烧蚀最为严重;推进剂中Al含量的增加导致燃气中氧化组分浓度降低,进而减少了烧蚀速率,这些结论与C/C喷管烧蚀相关研究结果一致。     

温度参数下轴编C/C复合材料的超高温热结构性能分析

为了研究轴编碳/碳（C/C）复合材料的超高温热结构性能,开展了2800℃超高温载荷下复合材料的拉伸实验,表征了复合材料组分材料的高温失效形貌;提出了立方体单胞和正六棱柱单胞的温度周期性边界条件的算法和预测复合材料等效热结构参数的方法,在材料属性各向同性正六棱柱单胞模型上验证了方法的正确性;最后建立了轴编C/C复合材料的代表性体积单元,计算了复合材料随温度载荷变化下的等效热结构参数,与实验数据进行了对比分析。分析表明：开展的轴编C/C复合材料的超高温拉伸实验,可以得到复合材料在2800℃载荷下复合材料的等效刚度值,同时分析了轴向试件和径向试件的高温失效机理,径向试件的纤维束拉伸强度对复合材料的径向拉伸强度起到决定性的作用。在应用位移以及温度周期性边界条件的基础上,提出的方法可以得到随温度载荷变化下复合材料的等效热结构参数,得出复合材料在横向满足近似各向同性的特性,预测结果表明只改变温度参数下复合材料的等效热导率不会发生改变。提出的方法同样也适用于其他编织复合材料的热结构性能研究。     

三维五向编织复合材料的冲击压缩特性及破坏机制

利用分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)实验系统和高速摄像技术对三维五向碳/环氧编织复合材料的动态压缩特性进行研究。通过对编织角为22.3°的试样分别进行沿纵向和横向方向的冲击压缩实验,得到材料在200~1200 s^-1应变率范围内的应力应变曲线,并结合高速摄像记录的动态压缩过程,对不同应变率下材料在高速变形下的渐进破坏规律进行分析。同时,综合试样的宏观破坏特征和微观断口形貌特征,进一步分析材料的破坏模式及破坏机理。结果表明:随着应变率的增加,材料在纵向和横向均具有一定的应变率强化效应,在横向方向的应变率强化效应更为显著;不同加载方向下材料的渐进破坏过程、应力应变曲线特征以及破坏方式均具有明显差异,且随着应变率的增加而发生改变。     

F12/环氧复合材料力学性能研究

测定了Ｆ１２／环氧复合材料的基本力学性能,并比较了Ｆ１２纤维在单向板、强力环及薄壁容器中的纤维强度转化率。实验结果表明,Ｆ１２／环氧单向复合材料与其ＮＯＬ环的拉伸强度相近,而薄壁容器中的复合强度约为单向拉伸强度的６０％,但三种复合材料的纤维强度转化率相近,约为（７０．１±１．６）％。     

复合材料薄壁梁扭转的高次翘曲理论

利用翘曲连续修正概念导出表示剖面翘曲位移的形函数序列,据此建立单闭室复合材料薄壁梁扭转分析的高次翘曲理论,并结合分层的具体情况,考察分层对复合材料薄壁梁扭转翘曲的影响。算例表明,该高次翘曲理论具有很好的收敛性。     

织物细观结构参数对编织复合材料弹性性能的影响

根据作者提出的二维波纹细观力学模型,在考虑了实际织物结构中存在的经向和纬向纤维的波纹;相邻纤维束之间的间隙;纤维束的横截面尺寸和织物的叠层构造状态对编织复合材料弹性性能的影响下,给出了织物细观结构参数与编织复合材料弹性性能之间的变化关系。通过参数分析探讨了不同结构参数对编织复合材料弹性性能的影响。     

强度自适应智能复合材料结构

提出在复合材料中埋入形状记忆合金丝、光纤阵列组成的强度自适应复合材料结构与系统。提出能够改变结构应力分布的形状记忆合金丝的布置方案;检测复合材料损伤及大应变位置的光纤阵列和神经网络;以及控制激励形状记忆合金丝动作的系统和实验方案。