HTPB推进剂复合型裂纹尖端变形场测量及破坏模式分析

为了实现端羟基聚丁二烯(HTPB)推进剂复合型裂纹尖端变形场测量及破坏模式分析,制作了含中心贯穿复合型裂纹的HTPB推进剂试件,进行了动态拉伸观察试验,获得了复合型裂纹的扩展特性,并通过数字图像相关方法(DIC)得到试件表面及裂纹尖端的应变场,对复合型裂纹尖端应变场特点及应变场与裂纹扩展规律的关系进行了研究。结果表明,复合型裂纹试件的拉伸过程可以分为线性段、非线性段和失效段三个阶段,裂纹沿与载荷垂直的方向扩展;数字图像相关方法采用大变形分析方法能有效解决试件大变形的问题,可以定量给出试件表面的应变场,且应变集中区域与理论结果吻合;复合型裂纹的扩展与应变场的变化密切相关,应变场在裂纹尖端产生应变集中,导致裂纹扩展。     

混合型加载下钢纤维混凝土损伤过程的声发射参数分析

结合声发射技术,开展Ⅰ-Ⅱ混合型载荷作用下钢纤维混凝土带预制中心裂纹巴西圆盘(BDCN)破坏特性的实验研究,得到试件破坏过程中声发射特征参数的演化过程。运用机器学习算法,对声发射参数进行分析,揭示钢纤维混凝土的损伤机理。结果表明：依据累积声发射强度曲线及时间-载荷曲线的变化,BDCN试件破坏全过程可以划分为3个阶段：前两个阶段损伤的主要来源是混凝土基体中微裂纹的起裂和大量微裂纹汇聚扩展,最后一个阶段声发射源的主要机制则是钢纤维的脱粘及拉拔。运用高斯混合聚类算法,可以将损伤源划分为拉伸型裂纹和剪切型裂纹。其中,拉伸型裂纹主导了每个阶段的损伤,而剪切型裂纹对损伤起到了促进作用。使用支持向量机求得的两类裂纹的分界线方程表明,拉伸型裂纹与剪切型裂纹的分界线并不总是一条过原点的直线。     

外物损伤对叶片振动疲劳裂纹扩展性能的影响

为研究外物损伤(FOD)对航空发动机叶片的疲劳裂纹扩展影响,基于落锤冲击试验系统,在不同冲击能量下进行TC4钛合金试件的FOD模拟试验及振动疲劳试验,获得损伤试件的裂纹长度与疲劳寿命的关系,并拟合疲劳断口裂纹形貌参数,建立疲劳裂纹扩展寿命预测计算模型。研究结果表明：损伤缺口的深度和宽度随冲击能量的减小而非线性的减小。当冲击能量较大时,试件的疲劳裂纹先沿弯曲微裂纹扩展,后沿直线扩展;当冲击能量较小时,试件疲劳裂纹保持直线扩展。裂纹的萌生寿命与冲击能量、应力水平二者相关。     

TATB基PBX张开型裂纹起裂及扩展行为

为研究1,3,5?三氨基?2,4,6?三硝基苯(TATB)基高聚物粘结炸药(PBX)中张开型裂纹在准静态载荷下的失效与破坏行为,设计了含预制裂纹的半圆盘弯曲试验,应用数字图像相关方法和90000 fps的高速摄影技术分别研究了实验中裂纹的起裂及扩展行为。结果表明,试样沿预制裂纹方向发生脆性劈裂破坏,应变分析显示裂纹尖端有显著的拉伸应变集中区域。在裂纹扩展路径上仅裂纹尖端区域的应变演化有显著的时间效应,且演化过程有一个显著的拐点,约0.85 p_(max)载荷,裂纹尖端的应变集中效应在拐点后才开始显现并快速扩展。裂纹扩展过程中有显著的塑性迟滞现象。裂纹尖端的应变分布和演化特性的分析表明,TATB基PBX在裂纹尖端局部发生了塑性变形,且塑性变形对裂纹的起裂与扩展行为有明显影响。     

高g值载荷作用下离散颗粒增强复合材料损伤特性研究

针对钻地弹攻击地下深层目标过程中,战斗部离散颗粒增强复合材料装药提前起爆现象进行高g值加载条件下的损伤形式研究。基于一级轻气炮,应用激光测速系统测量试件击靶前速度,压电传感器监测试件击靶端面应力状态,在Taylor冲击加载下的损伤特性进行试验,分析冲击载荷压力对离散颗粒增强复合材料宏观损伤特性的影响及其细观损伤模式及机理。结果表明:随冲击载荷压力不断增大,细观损伤模式为晶体颗粒表面与黏结剂间的剪切脱黏、孪晶带、穿晶断裂以及黏结剂劈裂等,细观损伤裂纹的加剧引起宏观裂纹产生,裂纹扩展断裂从而导致试件宏观损伤。晶体颗粒剪切脱黏强度模型和裂纹扩展断裂强度模型计算与试验结果基本吻合,为离散颗粒增强复合材料细观损伤机理研究提供重要参考依据。     

基于高速数字图像相关法的疲劳裂纹尖端位移应变场变化规律研究

应用高速摄像数字图像相关法研究了谐振式疲劳裂纹扩展试验中紧凑拉伸（CT）试件在高频正弦交变载荷作用下,裂纹稳态扩展阶段裂纹尖端区域位移和应变场的变化规律。采用数字化高速摄影设备采集系列正弦交变载荷作用下CT试件数字散斑图像,应用数字图像相关(DIC)法计算每幅图像裂纹尖端区域位移和应变场,对裂纹尖端区域特征点的位移、应变值采用最小二乘正弦拟合方法进行拟合,求出振幅、相位、平均载荷等特征量,将拟合出的应变或位移正弦曲线和所对应的系列散斑图像进行匹配,找到一个应力循环内特征位置的图像。使用动态高精度应变仪测量了CT试件在一个应力循环内裂纹尖端点应变值,试验结果表明,DIC应变测量最大误差为4.12%,验证了所提出DIC测量方法的可行性。在此基础上,进行了基于高速DIC方法的谐振式疲劳裂纹扩展试验,研究了疲劳裂纹未扩展时裂纹尖端应变幅值和疲劳循环次数的关系及疲劳裂纹扩展到不同长度时裂纹尖端区域位移和应变场的变化规律。     

钛合金Ⅰ型裂纹应力强度因子测试的实验研究

采用疲劳裂纹预制机对含I型缺口的TC4合金试件预制裂纹，通过数字图像相关方法观测试件在三点弯曲加载条件下裂纹的扩展过程及裂尖区域的位移场，将位移场数据带入裂尖位移场方程，计算裂尖位置和应力强度因子。结果表明，采用该方法可以准确测定钛合金的I型裂纹应力强度因子、裂尖位置及裂纹扩展长度。该方法解决了以往研究中因不能准确测定裂纹尖端位置，而无法准确测定钛合金I型裂纹应力强度因子的难题     

基于XFEM与Cohesive模型分析PBX裂纹产生与扩展

利用扩展有限元法(XFEM)分析PBX-9502带孔板状试件在整体压缩下由局部裂纹萌生到裂纹扩展全过程的开裂破坏机理。采用应力状态相关的强度面、非关联流动法则及Cohesive模型,描述了材料在复杂应力状态下的非线性本构行为以及材料的破坏行为。进行了数值模拟结果与美国洛斯阿拉莫斯国家实验室(LANL)试验结果的对比。结果表明,含孔洞的平板在整体压应力环境下孔洞周围产生局部拉伸应力,这种拉伸条件导致局部裂纹萌生。数值模拟的裂纹发展趋势与试验结果相吻合,包括裂纹时程的整体走势和拐点、启裂时刻、裂纹初期扩展速度等。基于扩展有限元方法和内聚模型法,可模拟高聚物粘结炸药(PBX)含能材料的裂纹萌生、扩展。     

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。     

固体火箭发动机粘接界面参数识别与损伤破坏数值模拟

为了研究固体火箭发动机粘接界面的损伤破坏过程,按照QJ2038.1A-2004制作了固体火箭发动机矩形粘接试件,对粘接试件进行了单向拉伸试验,获得了粘接试件的损伤破坏模式。根据粘接试件损伤破坏特点,建立了粘接试件的有限元数值模型,采用基于分步反演与Hooke-Jevees优化算法结合的反演方法,准确地获取了推进剂/衬层/绝热层界面混合模式下双线型内聚力模型的相关参数,将其应用于粘接试件拉伸试验损伤破坏过程的数值模拟中。研究结果表明:粘接试件主要的破坏形式为推进剂/衬层/绝热层界面处的脱粘;提出的反演识别方法能够较好地获取固体火箭发动机的界面相关参数,拉伸速度为2 mm·min^-1时,固体火箭发动机粘接界面的初始模量、最大粘接强度、断裂能分别为0.86 MPa、0.63 MPa、3.13 kJ·m^-2;推进剂/衬层/绝热层界面的损伤导致粘接试件的应力随应变增加的速率减慢,人工脱粘层尖端处界面的起裂,并且沿试件中央扩展,最终贯穿粘接试件是粘接试件主要损伤破坏模式。     

基于小波变换的混凝土压缩损伤模式识别

为了实时获取混凝土中微裂纹扩展演化的物理信息,对实验采集的每一个声发射信号作小波变换,识别出3种典型模式的声发射信号;根据声发射信号的事件密度变化规律和脆性材料断裂理论,将混凝土压缩破坏过程分为微孔洞压缩闭合、裂纹萌生、裂纹生长和裂纹汇合4个阶段。根据混凝土材料中声发射信号频率与裂纹源尺寸呈反比例关系以及声发射信号在4个破坏阶段中的分布特征,将3种模式的声发射信号分别对应于裂纹萌生、裂纹生长和微孔洞压缩闭合、裂纹汇合。实验结果表明,裂纹萌生、裂纹生长和微孔洞压缩闭合、裂纹汇合对应的声发射信号的上升时间依次增长、频率逐渐降低,与应变能释放理论相符合。     

半穿甲弹丸在复合靶中爆炸破坏效应的实验研究

实验测试了半穿甲弹丸在混凝土面层和沥青混凝土面层的多层复合靶中的爆炸深度及爆炸后形成的弹坑面积和体积;对多层复合靶中弹坑的形成机理和复合介质的爆炸破坏机理进行了探讨。结果表明,弹丸在混凝土面层的多层复合靶中爆炸后,其混凝土面层上先出现径向裂纹,后出现环向裂纹,环向裂纹与径向裂纹贯穿形成破碎区,并且径向裂纹的范围更大;混凝土面层靶的炸深比沥青混凝土面层靶的炸深浅,在药量相同情况下,沥青混凝土面层复合靶中爆炸形成最大弹坑体积和弹坑截面积均比混凝土面层复合靶中的大。     

涂层断裂韧性的声发射辅助拉伸测量方法

涂层的断裂韧性与界面结合强度是表征涂层／基体材料体系力学性能的重要指标。但如何准确地测量涂层的断裂韧性和强界面结合的涂层／基体材料体系的界面结合强度至今仍存在困难。以铬涂层／钢基体材料为对象,采用声发射和显微镜实时动态检测技术与拉伸实验相结合的方法,探索了铬涂层的断裂韧性以及铬涂层／钢基体的界面剪切强度。根据相关力学模型和实验测量结果,得到铬涂层在室温下的断裂韧性为27. 41 J／m2．同时,发现在铬涂层裂纹饱和后界面开裂都未发生,获得了该种材料体系界面剪切疆度的一个下限值。     

主动围压和爆炸加载作用下岩石动态响应研究

为了研究爆炸冲击下深部岩石的破碎过程,建立主动围压约束及中心孔爆炸加载实验装置,利用动态测试技术、高速摄像和数字图像相关方法,得到动静组合加载下岩石内部的应变场和表面裂纹扩展过程。基于Johnson-Holmquist本构模型,对不同围压下岩石爆炸动态响应进行了模拟研究。对比结果发现：围压在圆柱试件环向形成压缩预应力,减弱了爆炸柱面波产生的环向拉伸破坏,破碎区半径、裂纹数目和裂纹几何尺寸随着围压的增大显著减小;距离炮孔越远,爆炸应力波强度降低、围压对裂纹的止裂作用逐渐增强。结合弹性力学和柱面弹性波理论对动静加载下应力场的变化进行分析发现,围压产生的环向压缩应力减小了爆炸形成的拉伸破坏,这一结论与实验结果相同。数值模拟结果表明：von Mises应力场随围压的升高而增强,而环向拉伸破坏随围压的升高而减弱,不同围压下的破碎半径和裂纹形态与实验结果基本一致。     

钢中绝热剪切带的动态损伤演化

采用大能量高速材料试验机冲击帽形试样的实验方法,研究了高速冲击条件下钢中绝热剪切带的损伤演化机制。试验结果表明,绝热剪切带的形成并不意味着剪切断裂的发生和宏观裂纹的形成。导致剪切带损伤的微观方式主要包括:基体接触区界面上的微裂纹、带内平直微裂纹、剪切带内与带成一定角度的微裂纹和孔洞。在这些微损伤方式的形核、长大过程中,绝热剪切带逐步损伤,宏观裂纹逐步形成。     

疲劳裂纹形核寿命的细观概率模型

裂纹形核是结构疲劳损伤演化的初级阶段。基于Tanaka-Mura微裂纹形核机制,提出恒幅交变载荷下结构表面疲劳裂纹形核寿命的细观概率模型。设细观尺度的晶粒尺寸、晶粒取向欧拉角为随机变量,借助Schmidt因子建立细观主应力与分解切应力之间的关系。考虑到晶粒取向随机性和紧邻晶粒影响因素,导出分解切应力变程的概率分布。进一步运用矩法和次序统计量模型获得任一晶粒中疲劳裂纹形核寿命和结构热区晶粒群多裂纹分散形核寿命的概率分布。数值算例验证了所提模型与方法的可行性和合理性。新模型在裂纹形核寿命研究中引入了细观物理参数和几何参数的概率统计信息,可为多晶体金属结构件的疲劳可靠性评估和抗疲劳概率设计开辟精细化分析的新途径。     

陶瓷材料破坏过程中的声发射源定位方法

大多数研究者利用声发射检测陶瓷损伤断裂现象时,主要通过声发射参数分析陶瓷破坏过程,但该方法无法对陶瓷内的裂纹位置进行定位。鉴于该情况,对Geiger算法的初值选择问题进行优化,将优化后的Geiger算法应用于二维平面定位、三维空间定位实验,并计算了该方法的定位精度,即：在200 mm×200 mm的平板上,声发射源定位平均误差为1.641 mm;在50 mm×50 mm× 100 mm的立方体上,声发射源定位平均误差为3.47 mm. 其中材料的性质,声发射检测系统精度以及定位算法本身都是产生的误差的原因。实验研究了AD95(95%)氧化铝陶瓷压缩破坏过程中的声发射特性,利用优化后的Geiger算法对材料压缩破坏过程中的声发射源进行空间定位,定位结果和陶瓷实际断裂位置一致,该方法可用于分析陶瓷内部裂纹扩展过程。     

基于磁记忆梯度张量信号的缺陷二维反演研究

金属磁记忆检测技术是一种能对铁磁材料早期微观损伤及应力集中进行有效诊断的无损检测方法,针对二维反演方法难以准确得到缺陷分布的问题,提出了磁记忆梯度张量分析方法。分析磁梯度张量的测量要素,设计了磁记忆梯度张量信号测量方案;将磁记忆信号水平梯度模量作为缺陷边界反演的特征量,通过水平梯度模量的极大值位置来确定缺陷的边界及分布。裂纹二维反演实验结果表明,该方法不受检测方向影响,可对缺陷二维分布进行准确反演。     

混凝土动态损伤与失效模型

在TCK模型的基础上开发了一个用于混凝土或钢筋混凝土碰撞或侵彻的损伤模型。模型分成两部分考虑：拉伸损伤用TCK模型描述,剪切部分则采用RHT模型。模型考虑了应变硬化、压力和J3相关的失效面、软化、拉伸损伤、压缩损伤和应变率效应。利用LS-DYNA程序的用户自定义材料模型开发并实现了模型算法,并用有关混凝土侵彻试验结果对模型参数进行了标定。计算结果表明,采用该模型可以较好地模拟混凝土或钢筋混凝土的碰撞或侵彻过程中开坑、穿孔和弹体穿孔后的孔壁剥离现象,对剩余速度的预测较为准确。