复合推进剂紧凑拉伸试件动态观察试验与变形场测量

对复合固体推进剂紧凑拉伸试件进行了拉伸动态观察试验,获得其变形过程的图片序列,采用数字图像相关方法得到了不同拉伸位移下裂纹尖端附近位移场及应变场。结果表明:采用数字图像相关方法可有效获取裂纹尖端的位移场和应变场以及它们的变化规律,为复合推进剂的变形破坏分析和数值模拟结果验证提供基础数据。     

固体火箭发动机粘接界面变形破坏的细观试验与数值模拟

采用扫描电镜原位拉伸试验观察固体火箭发动机粘接界面试件在拉伸过程的变形和破坏过程,分析了载荷作用下界面失效模式和机理;依据粘接界面细观结构,建立了界面的细观数值模型,考虑了其细观损伤特点,在推进剂内部颗粒与基体之间以及推进剂/衬层之间引入界面元,对界面细观变形和破坏过程进行了数值模拟。结果表明,在外界应变5%时,表现为非均质材料内部应力分布不均,随应变的增加,推进剂内部脱湿形成的微孔洞不断扩展,最终导致界面破坏,界面拉伸失效过程表现为损伤的起裂和扩展,是推进剂内部脱湿和粘接界面脱粘共同作用的结果;界面元能有效地模拟粘接界面的脱粘过程,细观数值计算结果与试验结果吻合,正确反映了粘接界面在拉伸过程中细观损伤萌生与扩展的规律。     

基于SEM与数字图像相关的固体发动机黏接界面细观损伤过程分析

为了研究黏接界面细观损伤破坏过程,对其进行了原位拉伸试验,采用扫描电镜(SEM)对试验过程进行了观察,得到了拉伸过程黏接界面细观形貌演化过程SEM图像;采用数字图像相关方法对SEM图像进行了处理,获得了黏接界面原位拉伸过程应变场演化规律。结果表明,黏接界面原位拉伸过程中,外界拉伸应变较小时,损伤主要位于推进剂/衬层界面处,推进剂内部损伤较小;随外界拉伸应变的增大,推进剂内部颗粒脱湿使黏接界面损伤急剧增大,推进剂内部损伤区域不断扩展最终贯穿整个黏接界面是其主要失效模式;SEM与数字图像相关方法结合,可以有效地应用于黏接界面原位拉伸过程变形场的测量,为分析黏接界面细观损伤破坏过程提供了新的方法;原位拉伸过程中,全场的应变随外界拉伸应变的增大而增大,其中εx远远大于εy和εxy;外界拉伸应变从5%增至25%,x方向平均应变εx的极值位于衬层处,从0.07增至1.25;外界拉伸应变从25%增加至28%,推进剂εx急剧增大,黏接界面失效时,推进剂εx约为1.85。     

基于数字图像相关方法的含双裂纹复合材料薄板应力强度因子测量

将数字图像相关方法用于测量含I型双边裂纹复合材料薄板应力强度因子。首先,介绍了数字图像相关方法基本原理,通过最小二乘拟合法建立了裂纹尖端位移场与裂尖应力强度因子的关系。其次,搭建了数字图像相关方法非接触光学测试平台,通过对含I型双边裂纹复合材料薄板进行拉伸试验,得到了复合材料薄板双边裂纹尖端全场位移。最后,通过数字图像相关方法计算所得全场位移,提取了裂纹尖端应力强度因子,分析了最小二乘拟合项数、数字图像相关计算中子区域和步长大小的选择对裂纹尖端应力强度因子计算的影响。     

高频空化冲击作用下HTPB固体推进剂的细观损伤机制

为研究高频空化冲击作用下的HTPB复合固体推进剂热力耦合行为及细观损伤机制,提出一种考虑颗粒/基体间实际界面相的三维全级配HTPB固体推进剂细观模型构筑方法,区别于在颗粒/基体界面间嵌入虚拟内聚力界面单元的传统细观模型,进一步建立起空化微射流冲击作用下的固体推进剂热力耦合细观力学模型,分析了细观尺度上的固体推进剂破碎规律、损伤行为、局部应力应变和温度分布情况。结果表明,空化微射流作用在AP颗粒上后,导致AP颗粒直接破裂,随着冲击程度的增加,AP颗粒与HTPB基体间界面层受到冲击作用而破裂;固体推进剂在空化微射流冲击后的最大应力值为34.27MPa、应变值为1.314;应力波传递过程由于受到AP颗粒、Al颗粒和界面相的阻碍作用而发生传递路径的改变;空化冲击固体推进剂过程的最大温度值由于断裂能、内能和摩擦能的逐渐累积而呈现出逐步增长的变化特征,且最大温度值为24.59℃,在距离空化微射流较远位置的固体推进剂由于传热系数较低而无明显温升。     

原位拉伸扫描电镜法研究GA P推进剂的损伤行为

采用原位拉伸扫描电镜研究了GAP推进剂的损伤演化过程,并结合数字图像技术和分形维数的方法对裂纹演化进行了定量分析。结果表明,GAP推进剂在拉伸过程中的破坏首先发生在大粒径的AP颗粒集中分布区域,紧邻AP颗粒间少量的黏合剂基体断裂及脱粘;然后再到分散分布区域的AP颗粒及其附近位置处与黏合剂基体的脱粘;拉伸前期裂纹增加较为迅速,其后缓慢增加直到推进剂整体断裂;拉伸速率越慢,拉伸前期裂纹增加越快,且整个拉伸过程损伤程度越大;其中,拉伸速率为0.05 mm/min的拉伸过程损伤程度最为显著。     

HTPB推进剂疲劳特性试验研究

针对HTPB推进剂开展了不同加载应力和加载频率下的疲劳试验,并结合红外热成像系统实时监测疲劳试验中材料的表面温升,分析疲劳损伤对HTPB推进剂力学性能的影响。结果表明,随着循环次数的增加,HTPB推进剂应力—应变曲线滞回圈逐渐右移,表明峰值点和谷点的应变都在不断增加,疲劳峰值应变呈现三阶段的发展规律:初始变形阶段、稳定发展阶段和加速阶段;非弹性效应会造成不可逆的热力学现象,产生的能量绝大部分以黏性耗散的形式释放,是造成推进剂温度变化的主要原因;HTPB推进剂的初始弹性模量、屈服应力和最大抗拉强度随循环加载次数越多衰减越大,微观层面上主要是由于疲劳过程中颗粒与基体粘结界面出现"脱湿"现象,逐渐形成微孔洞和微裂纹,最终发展汇聚成宏观裂纹而失效。     

聚乙烯醇纤维混凝土动态断裂过程试验研究

为探究纤维体积掺量对聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料(PVA-ECC)断裂过程的影响,基于50 mm的分离式霍普金森压杆(SHPB)装置对不同纤维体积掺量(0%、0.75%、1.50%、2.25%、3.00%)的PVA-ECC中心切槽半圆盘弯曲(NSCB)试件进行冲击试验,同时结合超高速数字图像(DIC)相关试验系统对PVA-ECC材料的动态断裂过程进行试验研究,得到了预制裂纹尖端张开位移的变化规律以及各组试件的临界裂缝尖端张开位移(CTOD_C)。结果表明,当不添加PVA纤维或添加较少(小于1.50%)时,裂尖宏观裂纹基本出现在裂尖荷载的峰值时刻处,而随着PVA纤维掺量的增加,裂尖宏观裂纹的出现显著早于裂尖荷载的峰值时刻,并且纤维体积掺量越大,裂尖宏观裂纹出现得越早,裂纹扩展至完全断裂的时间也显著增加。添加聚乙烯醇纤维可以显著提高混凝土试件的CTOD_C值,提高试件的阻裂能力,相同冲击荷载下,体积掺量为2.25%的聚乙烯醇纤维试件具有较大的CTOD_C值。     

HTPB推进剂的低温力学性能

通过低温和低温恢复常温单轴拉伸试验,考察了低温条件下HTPB推进剂力学性能的变化情况,用SEM扫描电镜观察了推进剂拉伸断面形貌,分析了所得HTPB推进剂的拉伸应力-应变曲线和力学性能特性。结果表明,在低温拉伸条件下,HTPB推进剂主要表现为基体撕裂和颗粒脆断,而在低温恢复常温拉伸条件下,主要以"脱湿"破坏为主。推进剂的低温拉伸曲线具有明显的屈服现象发生,说明推进剂的屈服现象与低温有关。推进剂在低温和低温恢复常温条件下的最大抗拉强度、弹性模量和延伸率等力学性能呈现出不同的变化规律。     

NEPE推进剂的细观力学性能研究

采用原位拉伸扫描电镜技术对NEPE推进剂的单轴拉伸破坏过程进行了研究.结果表明,固体粒子与黏合剂基体的脱湿是破坏的主要因素.采用数字图像分析方法对此破坏过程进行定量化研究,对图像的分形维数进行了计算,发现随着拉伸破坏过程的进行,分形维数逐渐增大.采用此方法计算的细观结构分形维数可以作为研究NEPE推进剂细观损伤演化的定量指标.     

基于材料基因工程的AP/Al/HTPB推进剂单轴拉伸性能及脱湿过程计算

为克服传统"经验型"材料研发模式和"唯象法"构建材料计算模型的不足,构建了一种基于材料基因工程的复合固体推进剂单轴拉伸性能预估方法;以高氯酸铵/铝/端羟基聚丁二烯(AP/Al/HTPB)推进剂为例,将填料堆积微结构定义为材料基因之一,建立了可反映推进剂配方的填料微结构最小代表性单元,分别确定了决定填料、基体、填料-基体界面力学性能的材料基因,并建立了材料基因与推进剂单轴拉伸性能之间的构效关系,获得了单轴拉伸条件下推进剂内部的损伤演变规律及应力—应变响应。结果表明,AP/Al/HTPB推进剂的应力—应变曲线可分为弹性段、黏弹性段和损伤段3个阶段;基体的黏弹性形变和填料脱湿会导致推进剂黏弹性模量下降;应变大于15.37%时,脱湿首先发生在粗粒径颗粒上方,随后以先快速、后平稳的趋势沿粗颗粒周向扩展;应变大于21.19%时,中等粒径颗粒开始脱湿;在0～25%的应变范围内细颗粒与基体始终黏接完好。     

B_4C/2009Al复合材料的高周疲劳性能研究

本研究采用体积分数为17%的碳化硼颗粒(B_4C)增强2009Al复合材料,然后进行热挤压加工(挤压比为90∶1)。对复合材料室温下高周疲劳性能进行了测试,同时通过分析疲劳断口、观察微观结构深入研究其失效机理。在拉-压循环载荷条件下测试了B_4C/2009 Al复合材料的高周疲劳性能。B_4C/2009 Al复合材料的疲劳破坏机制为:微裂纹主要萌生于试样表面划痕和B_4C与Al之间界面的脱粘;微裂纹萌生后首先在基体中扩展,当微裂纹遇到B_4C颗粒时,裂纹发生偏折或者停止;随着微裂纹继续扩展,裂纹尖端塑性区变大,B_4C颗粒断裂和B_4C与基体界面的脱粘增多;最后,微裂纹不断扩展聚集造成了B_4C/2009 Al复合材料最终断裂。     

AP粒度对HTPB推进剂撞击起爆影响的数值模拟

针对端羟基聚丁二烯(HTPB)复合固体推进剂受外力撞击爆炸问题,基于MATLAB软件开发了颗粒随机填充算法,通过在LS-DYNA平台上进行的二次开发,研究了高氯酸铵(AP)粒度对HTPB复合推进剂撞击起爆影响的数值模拟。结果表明,AP粒径为2~20μm时,HTPB推进剂受撞击后爆炸概率最低;粒径达到330~340μm时,受撞击后爆炸概率最高;通过细观层次研究发现,含AP颗粒的HTPB推进剂在撞击起爆前存在两次剧烈的应力应变和温度变化,通过对颗粒粒径范围在2~20μm和330~340μm时计算结果的比较,发现推进剂爆炸前的最大有效应变增大124%,最高温度增大13.14%;温升和应变的启动点和反应点分别加快了34.78%、10.98%和52.38%、28.57%。     

基于PFC2D的红砂岩破坏机制研究

为了研究红砂岩在单压作用下的破坏机制,对赣州某地红砂岩进行室内单压试验,得到了试件破坏过程中的变形和强度特征,同时借助颗粒流模拟软件PFC2D分析了红砂岩破坏过程微裂纹和能量变化规律以及颗粒间接触力演化特征。结果表明:岩石失稳破坏过程为岩样微裂纹、能量及接触力不断变化的过程;模拟试验中微裂纹自试件屈服阶段开始产生,以拉伸裂纹为主;而室内试验中裂纹出现在宏观起裂强度之后,裂纹不断扩展延伸直至贯通,最终产生宏观破坏;加载初期外界输入能量主要储存为应变能,当超过储存极限时试件局部发生破裂,当达到峰值强度时,能量逐渐转化为耗散能,在耗散能的作用下岩石内微裂纹进一步扩展致使试件破坏;加载过程颗粒间接触力由均匀分布到受力不均,在强力链作用下试件最终整体破坏。     

双金属材料复合圆板Ⅲ型界面裂纹扩展的研究

采用分离变量的方法求解了双金属材料复合圆板Ⅲ型界面裂纹动态扩展问题,得到了裂纹尖端的应力、位移场的理论解表达式,并通过典型算例,研究了裂纹区应力、位移及应力强度因子等关系,为认识双金属材料复合圆板Ⅲ型界面裂纹扩展机理提供理论依据。     

韧脆转变区夏比冲击试验的数值模拟研究

对16MnR钢在韧脆转变区进行了夏比冲击试验,利用有限元分析软件ABAQUS考虑了冲击过程中高应变率对基体材料的强化效应,并耦合延性损伤GTN模型对转变区的夏比冲击试验进行了数值模拟研究。对比试样断面上的延性裂纹扩展长度发现,GTN模型的预测结果是可接受的。通过有限元模拟获得了试样在冲击过程中各时刻的力学场,研究了在延性裂纹扩展过程中裂纹尖端应力应变场的变化规律和应变率分布规律。模拟分离得到夏比冲击功AKV包含的各部分能量,发现在冲击过程中塑性功消耗占绝大部分。     

聚丙烯纤维轻骨料混凝土力学性能及破坏机理研究

轻骨料混凝土因轻质、保温、抗震性能好等特点得到广泛应用,但其高脆性导致力学性能较差.研究不同类型聚丙烯纤维对轻骨料混凝土力学性能的影响,将长度为6 mm、12 mm、19 mm的聚丙烯纤维分别以体积掺量0.1％、0.2％、0.3％加入到轻骨料混凝土中,测量其抗压强度和劈裂抗拉强度,研究纤维在混凝土内作用机理及轻骨料混凝土破坏机理.研究结果表明:掺入聚丙烯纤维长度12 mm体积掺量0.1％时轻骨料混凝土抗压强度最高,较基准混凝土提高14.74％;当掺入纤维长度6 mm体积掺量0.1％时劈裂抗拉强度最高,较基准混凝土提高7.78％,聚丙烯纤维对轻骨料混凝土劈裂抗拉强度影响不大.通过扫描电子显微镜(SEM)观察混凝土微观结构发现,受荷载破坏后聚丙烯纤维存在拔出或拉断两种破坏形式.应用数字图像相关方法(DIC)分析试件表面应变场的变化,应变集中于骨料-水泥基体界面区,裂缝扩展穿过骨料以及骨料-水泥基体界面区导致混凝土破坏.     

双孔致裂条件下的层状岩石多场耦合分析

页岩气储层渗透率比常规储层低,通过水平井体积压裂产生复杂裂网可以改善储层结构,而双孔致裂条件下两孔之间的互相干扰对裂网的扩展具有重要影响。利用数值仿真试验对双孔水压致裂条件下的裂网演化过程进行研究,并与理论分析作对比,结果表明:层理方向、原生裂纹等对裂网扩展规律有显著影响,当层理与原生裂纹夹角较小时,随着应力在原生裂纹尖端的累积,主裂缝沿原生裂纹向远端扩展,当层理与原生裂纹夹角较大时,主裂缝贯穿原生裂纹向前发展;两注水孔中间产生一条主裂缝,最后岩石沿此主裂缝发生失稳破坏,失稳破坏的最大剪应力与计算值大致吻合。研究成果可为水平井压裂设计提供参考。     

平纹编织C/SiC复合材料的断裂韧性

采用紧凑拉伸试件进行循环加载,研究了化学气相渗透工艺制备的二维平纹编织碳布增强碳化硅(C/SiC)复合材料的断裂韧性.基于实验结果,应变能释放率可分为弹性应变能释放率和不可逆应变能释放率,分别分析了弹性应变能释放率和不可逆应变能释放率随裂纹扩展的变化规律.发现在裂纹扩展初始阶段,裂纹分叉引起不可逆应变能释放率远高于弹性应变能释放率.随裂纹进一步扩展,不可逆应变能释放率迅速下降;最终两部分能量释放率都达到相近的平稳值,且不可逆应变能释放率大于弹性应变能释放率.对试件断裂表面进行扫描电镜分析,发现在裂纹尖端区域基体主要是剪切损伤,纤维具有很长的拔出长度.     

Ⅰ类AP初始缺陷对丁羟推进剂力学性能的影响

分别以两种Ⅰ类高氯酸铵(AP)为氧化剂,采用立式混合及真空喷淋浇注工艺制备了两种丁羟推进剂(HTPB);采用扫描电镜(SEM)研究了AP的微观形貌及HTPB推进剂的拉伸断面;探讨了推进剂在拉伸过程中的破坏机理;考察了不同形貌的AP在常温(20℃)和低温(-40℃)下对HTPB推进剂单向拉伸力学性能的影响。结果表明,有初始微观形貌缺陷的Ⅰ类AP局部有微裂纹或明显的突出点,且该类AP所制备的推进剂"脱湿"现象严重;拉伸断面出现AP的穿晶断裂现象,使得推进剂在常温(20℃)下的抗拉强度由0.99MPa降至0.88MPa,延伸率由48.2%降至36.6%;低温(-40℃)下的抗拉强度由2.86MPa降至2.32MPa,延伸率由62.5%降至23.5%。