刚性弹体撞击蜂窝结构高过载特性

为考核武器关键部件在高过载环境下的可靠性，提出一种基于刚性弹体撞击蜂窝结构的新型高过载环境模拟技术。通过轻气炮弹道实验，研究弹体加速度、速度和位移响应规律及蜂窝结构在冲击过程中的力学行为；比较不同撞击速度条件下，弹体高速撞击蜂窝结构过程中过载响应时间历程的差异。研究结果表明：刚性弹体高速撞击造成的蜂窝结构压溃是高度局部化的力学行为，压溃首先发生在蜂窝结构顶端，并随弹体运动由顶端向底端传播；弹体对蜂窝结构冲击压缩过程可分为初始冲击、稳态压缩、密实压缩3个阶段，可分别对应弹体的加速度、速度、位移曲线中相应的响应特征；初始冲击阶段的速度曲线呈明显的阶梯状下降形态，为应力波在弹体中周期性传播导致；3发实验的初始冲击阶段过载峰值相差不大，稳态区持续时间随弹体撞击速度的增加而减小，密实区过载峰值随弹体撞击速度的增加而增加。     

中高应变率条件下TC18钛合金动态力学行为的实验研究

应变和应变率是影响材料力学行为的两个重要因素,分离式霍普金森压杆（SHPB）技术是实现不同应变和应变率加载的有效途径之一。为研究室温下TC18钛合金的塑性变形和破坏行为,采用SHPB,通过调节子弹长度和速度实现对TC18钛合金圆柱试样不同应变和应变率的加载。实验得到了TC18钛合金在不同应变率下的真应力-真应变曲线和同一应变率不同应变下的真应力-真 应变曲线,并分别分析了应变硬化和应变率强化效应对TC18钛合金的动态力学性能的影响。实验结果表明：TC18钛合金压缩试样破坏时断口与加载方向（轴线）之间的夹角约为45°,其压缩破坏形式为典型的剪切破坏,与应变和应变率相关;应变率越高,TC18钛合金的流动应力和屈服强度越高,故该材料具有明显的应变率强化效应;绝热剪切带是裂纹形成和试样发生宏观剪切破坏的先兆。     

基于旋转三角形模型的负泊松比蜂窝材料面内动态压溃行为数值模拟

为提升蜂窝材料的动态力学性能,在旋转三角形变形构型基础上,针对不同旋转角建立了对应的蜂窝结构模型。利用这些蜂窝模型通过有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA数值模拟了不同旋转角的蜂窝在冲击载荷作用下的面内动态压溃行为;同时考虑冲击速度的影响,研究了旋转角和冲击速度对其变形模式以及平台应力的影响规律,并对比分析了旋转三角形蜂窝的吸能特性。结果表明：旋转三角形蜂窝的变形过程一般可分为旋转变形和坍塌变形两个阶段,其应力-应变曲线具有“两段式应力平台”特征,且表现出明显的动态拉胀效应;当旋转角增大或冲击速度提高到某个临界值后,其应力-应变曲线只具有一个平台段,动态拉胀效应逐渐减弱;在不同冲击速度下,通过与相对密度相同的正六边形蜂窝相比较,旋转三角形蜂窝具有更好的能量吸收能力。     

一种新型钛合金半固态锻造后的断裂行为研究

以新型钛合金Ti14为对象,对比研究常规和半固态锻造合金经不同时间热暴露后的室温拉伸性能,探讨热暴露后的断裂行为及其断裂机制。结果表明,半固态锻造试样热暴露后的强度均明显高于常规锻造试样,而塑性略低于常规锻造试样。常规锻造试样宏观断口三要素清晰可见,断口由细小的韧窝组成,韧窝密度较大;半固态锻造试样纤维区模糊,剪切唇区较大,断口为韧窝和解理的混合型断口,并伴随少量二次裂纹的出现。析出相的尺寸、形态、分布的差异是导致两种锻造态合金热暴露后断裂机制改变的主要原因。     

TA2钛合金动态压缩试样中的绝热剪切破坏研究

绝热剪切是金属材料高速变形破坏的重要形式之一,利用分离式霍普金森压杆（SHPB）技术对TA2钛合金的动态力学性能及绝热剪切破坏特性进行研究,实验得到了TA2钛合金动态应力-应变关系。对试样的绝热剪切带形成及发展进行了微观金相观察,结果显示：TA2钛合金动态压缩试样中产生的绝热剪切带呈对称的双圆锥形特征。进一步利用有限元方法对试样动态压缩及变形局域化过程进行了有限元数值分析,模拟结果与实验吻合较好。数值分析结果表明压缩试样表面摩擦对试样中绝热剪切带的形成与破坏特征有着重要影响。     

特殊内凹形蜂窝结构等效扭转刚度研究

为了进一步研究内凹形蜂窝结构中的等效扭转刚度,针对一种特殊的内凹形蜂窝结构,将其简化为正交异性薄板,分别计算均布扭矩作用下等效薄板的变形能及蜂窝胞元各胞壁变形能之和：利用能量等效原理推导该蜂窝结构等效扭转刚度的理论公式。结果显示,胞壁夹角变化对蜂窝结构扭转刚度的影响明显,且随着胞壁厚度的增大,蜂窝结构扭转刚度有明显提升,最后建立蜂窝结构的有限元模型进行数值分析,并利用数值结果反推了蜂窝结构的扭转刚度,其与理论结果的误差在3%左右,验证了理论分析方法的正确性。     

全层状TiAl基合金损伤断裂行为的研究

通过拉伸及卸载试验,对试样断口与表面进行SEM观察分析,研究TiAl基合金拉伸损伤与断裂行为。结果表明:该材料拉伸的弹性阶段范围很窄,塑性变形能力差,在拉伸卸载试样表面观察不到微裂纹和损伤;而在试样断口上有唯一起裂源和发散状的河流花纹。断裂过程为:当试样被加载至一定应力时,在其应力最大截面附近某一材料组织薄弱处率先产生一定尺寸的Griffiths裂纹源,并很快由此起裂源朝多个有利取向快速解理扩展,并导致试样最后完全断裂。     

波纹火焰筒数值模拟成形技术研究

针对波纹火焰筒提出了刚模逐节冲压成形、刚模对称冲压成形、粘性介质外压成形和粘性介质内压成形等四种成形方案,并对其成形过程进行了有限元分析,得到了四种成形工艺方案的壁厚分布、壁厚减薄率分布和卸载回弹结果。研究表明,粘性介质外压成形得到的波纹火焰筒构件的壁厚分布最为均匀,卸载回弹量最小,壁厚减薄率小于粘性介质内压成形。     

VPI制备车用Cf/Al材料结构及弯曲性能研究

通过真空压力浸渗制备车用Cf/Al材料,测试其显微组织与抗弯曲性能.结果表明:Cf/Al材料致密度均值为95.1％,浸渗效果良好.径向、纬向形成黏连状纤维丝,部分具有微米孔洞.Cf/Al材料弯曲强度为341 MPa,弯曲模量为116 GPa.最初阶段都表现线弹性特点,具有较大载荷增量与较小位移增量.增大弯曲位移后,材料基体形成更多损伤缺陷,达弯曲极限时,曲线表现出缓慢卸载趋势.试样室温伸长率较小,呈脆性失效.Cf/Al材料弯曲处断口于内侧面受压形成黏连结构,径向纤维束发生较大屈曲变形而压断,纬向纤维束在挤压作用下变形,外侧材料受到拉伸破坏,基体组织开裂.     

带有幂次内聚断裂模型的韧性碎裂

固体在受到冲击载荷作用时常常会断裂成多个碎片(碎裂),对冲击碎裂过程的研究对工程防护和国防军事具有重要意义。影响碎片尺寸的关键参数包括加载速率、材料强度和韧性、断裂形态等因素。采用非线性的幂次内聚力模型来描述材料的断裂过程，分析断裂和卸载波传播的耦合过程，给出断口完全断裂时间、卸载波传播距离及碎片平均尺度的解析表达；采用有限元数值模拟不同损伤断裂路径下的韧性碎裂过程，得到断口形貌和破碎产生碎片的平均尺寸。研究结果表明：随着幂次指数k的减小，卸载波的传播距离单调增加，产生碎片的平均尺寸也增加，并且碎片断口变形更大；在诸多可能的非线性损伤演化路径中，存在一种断口位置以最快速卸载方式的损伤断裂模型，该模型对应于幂次指数k=0.5的情况，更接近刻画断口区的断裂发展过程。     

钛合金蜂窝结构抗冲击性能仿真与试验研究

为提高蜂窝夹层板防护能力,对钛合金蜂窝夹层结构的抗冲击性能进行研究。通过有限元软件构建蜂窝夹层板的冲击模型,基于仿真结果对蜂窝板的应力状态和失效形式进行分析。设计钛合金蜂窝结构的冲击试验,从损伤面积、承载力和质量比吸能3个方面对蜂窝结构的缓冲效果进行评价。结果表明：仿真分析可较准确模拟出蜂窝夹层板受冲击时的受力情况。在受金属球冲击时,与其它结构相比,正六边形蜂窝芯层结构在损伤面积、承载力和质量比吸能均具有优异的性能,其中承载力提高37.3%,质量比吸能提高160%。     

不同组织Ti6321钛合金在低温高应变速率下的变形和断裂行为

针对目前关于船用钛合金在低温和高应变率速率下的研究不足的问题,通过热处理获得3种组织的Ti6321钛合金,研究不同组织在温度-80~25 ℃、应变速率2 500 s^-1及3 500 s^-1左右的变形和断裂行为。采用低温分离式霍普金森压杆实验装置进行加载,通过光学显微镜和扫描电子显微镜等表征方法,对其微观组织演化进行观察分析。研究结果表明：随着温度的降低,Ti6321钛合金强度增加,塑性减小;在室温下,双态组织具有较好的强塑性匹配;随着温度的降低,等轴组织具有较高的强度和较好的低温塑性变形能力,表现出良好的低温动态压缩性能。断裂机制研究表明等轴组织和双态组织表现出典型的韧性断裂特征;魏氏组织断口出现高低不平的解理面,表现出明显的脆性断裂倾向。     

聚氨酯/蜂窝铝对高速冲击弹内芯片缓冲作用

高速冲击时弹内芯片易损坏而失效,需缓冲保护,而有限的弹内空间对缓冲提出更高要求。本文探讨了有限空间（4 mm厚）中聚氨酯/蜂窝铝对高速冲击下弹内芯片缓冲效果。用有限元探究胞元参数对蜂窝铝压缩性能的影响,优化了参数组合;测试了3D打印+熔模铸造制备的蜂窝铝力学性能;用有限元研究聚氨酯/蜂窝铝对高速冲击弹内芯片缓冲性能。结果表明：蜂窝铝强度与吸能随壁厚增加而增加,随边长增加而降低;熔模铸造附铸铝合金的本构模型可较好地预测熔模铸造态蜂窝铝的压缩变形及吸能;与聚氨酯相比,聚氨酯/蜂窝铝对高速冲击时弹内芯片的缓冲效果更好,最高提升49%。研究结果有利于发展新的弹内电子器件缓冲方法。     

Ti6321钛合金在Taylor杆冲击下的动态断裂微观组织观测

通过固溶处理获得近α型Ti6321钛合金的双态和魏氏组织,研究不同组织对材料在Taylor杆冲击条件下动态损伤和断裂行为的影响。利用Taylor杆对材料进行动态加载,弹体的撞击速度范围为146~228 m/s,结合光学显微镜、扫描电子显微镜和定量金相表征方法对其微观组织演化进行观察分析。结果表明：双态组织的Ti6321合金具有更好的抗冲击性能;双态组织和魏氏组织试样在加载后的显微组织均发生了明显变化,随着冲击加载速度的增加,双态组织的初生α晶粒尺寸由25.3 μm减小至16.7 μm,次生α相和β相在载荷作用下变形、碎化;对于魏氏组织钛合金,次生α相沿受力方向显著拉长;观察断口可以发现,两种组织试样的断口均可以分为光滑熔融区和韧窝区,两个区域之间的界限并不明显;两种组织试样均发生了绝热剪切破坏,相比于魏氏组织,双态组织Ti6321合金具有较低的绝热剪切敏感性。     

大承载复合材料夹层壳段结构优化设计与分析

碳面板铝蜂窝夹层结构是将高强度的碳面板和低密度的蜂窝芯子共固化形成的复合式结构，具有比强度高和比刚度高等优异特性，可在保证承载能力的同时显著降低结构质量，同时具有广泛的适应性，在国内外航天器结构中得到了大量应用。在此次研究中提出一种大承载的碳面板铝蜂窝复合材料夹层壳段结构的设计方案，并对该结构的传力路线进行优化设计和轴压试验验证，同时建立数值分析模型并结合渐进损伤分析方法对壳段结构进行承载分析，分析结果与试验结果高度吻合，验证了该方法的准确性，为中国大承载碳面板铝蜂窝夹层结构的设计和分析工作提供了重要方法依据。     

金属蜂窝胶接结构耦合传热分析

对金属蜂窝胶接结构进行传热研究,考虑蜂窝结构热传导和热辐射的耦合作用,建立两种热分析模型,模拟蜂窝结构内部传热机理.通过两种模型计算结果的对比分析,总结出蜂窝结构传热模型建模规则,计算胶接金属蜂窝结构的等效热传导系数.分析表明,当高宽比不大时,蜂窝晶胞壁的辐射是不容忽略的,胶粘层使得蜂窝夹层结构的隔热性能增强.     

高聚物粘结炸药压缩破坏的细观力学实验研究

研究了一种含TATB的高聚物粘结炸药的细观力学行为。带有预制裂纹的炸药试样在电子显微镜腔室的加载平台上进行压缩破坏原位试验，定量分析了其损伤变形局部化特征。利用数字图像相关技术得到了裂纹尖端附近的变形场和位移矢量场分布，表明预制边裂纹的存在对位移场有强烈的扰动。数字相关运算结果发现试样破坏前在预制裂纹尖端有一个错动引起的漩涡矢量场，而裂纹的最终扩展方向有沿着外载荷的方向发展的趋势。     

新型零泊松比类蜂窝结构面内非线性刚度研究

几何非线性刚度研究对变形飞行器结构大变形的应用具有重要意义。为研究具有正弦波纹壁的零泊松比类蜂窝结构面内大变形时的非线性力学行为,基于非线性梁理论,考虑几何非线性建立了大变形下的非线性力学模型。利用有限元仿真验证了理论分析方法的正确性,通过参数分析讨论了几何参数对等效应力-应变曲线的影响。结果表明,随着应变的增加,结构的几何非线性造成结构的等效拉伸刚度增大;应力-应变曲线受波纹度、蜂窝角、厚度比的影响较大,受高度比影响不明显。     

一种横截面为正五/六边形的四层复合材料管轴向冲击吸能研究

纸瓦楞夹层管为耐撞性问题提供了一种新思路。针对由聚乙烯泡沫对纸瓦楞夹层双管的双填充构型，利用轴向跌落冲击对比试验和参数化分析，重点研究这种四层复合材料管的缓冲吸能特性以及结构和冲击参数的影响。研究结果表明：双填充X轴方向瓦楞夹层双管的塑性平台区明显长于双填充Y轴方向双管，其吸能效果优于双填充Y轴方向双管；随着管横截面边数的增加，双填充双管的比吸能、单位体积吸能、比总体效率、平均压溃应力都下降；随着落锤质量的增加，双填充双管的缓冲吸能特性都递增；管长比为3.0时，双填充X轴方向正五边形双管的总吸能和比吸能分别比正六边形管提高了15.6%和48.8%，而双填充Y轴方向双管分别提高了14.4%和47.9%；管长比为2.2的双填充双管的初始峰值应力高于管长比为1.4和3.0的双填充双管，抗冲击性能更好。     

SiC/Zr基非晶复合材料的动态断裂特性研究

利用Hopkinson压杆冲击加载装置和扫描电子显微镜(SEM),对SiC骨架/Zr基非晶合金复合材料圆柱形试样进行了相关的应力-应变响应和动态断裂特征及断口形貌的研究。结果表明:SiC骨架/Zr基非晶合金复合材料的动态压缩强度随冲击压力的增大而递增,当冲击压力为0.6 MPa时,复合材料的动态压缩强度为855 MPa;断裂表面呈现典型的结晶状断口,断裂模式为脆性断裂和劈裂混合破坏模式;非晶基体在动态压缩条件下出现了显著的热软化和熔化特征。