浮空器膜材循环拉伸力学性能及弹性常数研究

对全新飞艇蒙皮膜材Uretek3216L进行了单轴循环拉伸试验,采用自主研发的多功能薄膜双轴拉伸试验机进行5种应力比例下的拉伸试验.探讨了单双轴循环试验的应力应变关系及弹性模量随循环次数的变化规律,对双轴耦合弹性模量的理论公式进行了推导,分析了纬经向应力比对耦合弹性模量的影响规律.结果表明,单轴循环的第15次和第1次循环相比,经纬向弹性模量分别增大了20.7%和39.1%,其中第2次循环增大幅度最大,经纬向均占总增量的60%以上.对于双轴试验,随纬经向应力比R的增大,经向耦合弹性模量增大而纬向减小.确定了膜材的单、双轴应力下的弹性模量和3D应力应变响应曲面.     

短纤维增强脆性基复合材料破坏过程和力学性能研究

 研究短纤维增强脆性基复合材料在单轴拉伸荷载下的力学性能和破裂机理。采用基于细观损伤力学基础上开发的针对材料破坏过程的数值分析软件,考虑材料细观非均匀性,对复合材料的变形、损伤直至失稳破坏的全过程进行数值模拟。结果表明,加入短纤维后,材料试件的强度和韧性都比基体材料显著提高。短纤维强度的变化对复合材料试件的强度和刚度没有明显影响;而短纤维弹性模量的变化对复合材料试件的强度、刚度和韧性均影响明显,随着短纤维弹性模量的增加,复合材料试件的强度和刚度不断增加,但韧性却逐步降低。     

考虑裁切效应飞艇囊体模型充气数值模拟与试验

为了研究飞艇囊体结构的力学性能,建立了考虑裁切效应的囊体缩比模型.首先进行了织物膜材的双轴拉伸试验,根据试验结果拟合出材料力学参数的应力响应面并编写了材料模型子程序.利用Abaqus模拟了囊体裁切过程,建立了飞艇囊体初始构型的有限元模型,并对囊体充气过程进行了数值模拟.最后设计并制作了飞艇缩比模型并进行充气试验,测量了不同内压下膜面的变形特征.结果发现:考虑裁切效应得到的囊体初始构型和理想回转体模型存在明显的差异;裁切模型膜面变形最大值误差在12%以内,并且随着内压的增大,模型分析误差逐渐减小;裁切效应在飞艇精细化建模分析中具有不可忽略的作用.     

纱束摩擦因数对织物复合材料撕裂强度的影响

为了研究纱束间摩擦因数对飞艇蒙皮织物复合材料撕裂强度的影响,通过单轴拉伸试验测试蒙皮的拉伸强度、弹性模量等基本力学性能;利用单侧边切缝(single edge notched,SEN)撕裂试验得到试件缝宽比值为0.5时的撕裂强度;运用数值方法模拟纱束间摩擦因数不同时,SEN试件的撕裂过程,得到相应的撕裂强度以及经纱的应...     

紫外光作用下沥青路面的老化与车辙关系分析

通过单轴静载蠕变试验获得沥青混合料紫外老化前后的蠕变参数及弹性参数,并据此采用有限元法对沥青路面结构进行了老化前后车辙深度的数值模拟,得出不同加载次数、不同轴载、不同行驶速度下的车辙深度值,进而提出了相应的车辙预估公式。结果表明:紫外光老化使沥青路面材料弹性模量变小以及蠕变参数A和m变大是车辙深度增加的最根本原因,车辙深度随着加载次数的增加呈非线性增长。     

船用气囊力学特性及极限承载力分析

分析了承压气囊变形的几何描述和根据薄壁压力容器受力分析应力理论,建立了统一的气囊变形与承载力、内压关系数学模型.通过单轴拉伸试验确定囊体材料特征,提出了承压气囊的力学特性和极限承载力的计算方法.通过算例验证,证明该方法可用于承压气囊理论分析,为船用气囊下水的安全使用提供了指导.     

充气囊体材料撕裂及破裂后流场特性研究

通过实验的方法对囊体材料的撕裂特性和加强筋的止裂效果进行了初步的研究,并以飞艇为例利用数值模拟研究了囊体材料局部破裂后,破口处气体外泄的非定常流场结构及其演变过程.结果表明:囊体破裂后,裂纹快速扩展,通过合理地设计加强筋的强度和布局,并保证加强筋与囊体材料粘结牢固,可以起到良好的止裂效果;破口形成后,由于飞艇内外稀疏波和压缩波的作用,流场处于强烈的非定常状态,气体外泄的速度远小于裂纹的扩展速度,飞艇泻压所需时间和破口的尺寸有很大的关系,稀疏波在飞艇内的传播情况直接影响了泻压后内部压力的分布,稀疏波反射次数越多,压力分布越均匀.     

强紫外线下超高分子量聚乙烯薄板材料的力学性能研究

为了预测和防止高海拔地区超高分子量聚乙烯材料在强紫外线作用下发生老化从而影响工程正常使用和造成严重安全事故,对暴露在室外环境下极容易受到紫外线作用而发生老化的高分子聚乙烯材料进行常温强紫外线人工环境下的老化处理。老化处理后的试样采用扫描透射电镜(EMS)分析其表面微观结构;并用拉伸试验机进行单轴拉伸,分析应力(σ)-应变(ε)曲线、拉伸强度(σ_b)、拉伸弹性模量(E)、断后伸长率(δ_n)及最大力;用ANSYS软件对不考虑温度影响下的试样进行交变荷载条件下的疲劳寿命分析。结果表明:随着强紫外线老化时间增加,应力(σ)-应变(ε)曲线无明显的屈服阶段,拉伸强度、拉伸弹性模量、断后伸长率及最大力的变化是先下降然后逐步趋于稳定,而强紫外线照射时长对疲劳寿命影响不明显。该结果为超高分子量聚乙烯薄板的工程安全应用提供参考。     

温度对平流层飞艇囊体材料蠕变性能的影响

蠕变是长航时平流层飞艇囊体材料的重要性能指标,对飞艇在长时间飞行中结构的稳定性具有重要意义。受限于蠕变试验设备及方法,飞艇囊体材料一般只进行常温的蠕变试验。为研究温度对平流层飞艇囊体材料的蠕变性能的影响,利用可控温的持久蠕变性能测试仪,将蠕变试验温度分别设置为-50、23、60℃,通过持久蠕变试验方法测试不同温度状态下平流层飞艇囊体材料的蠕变性能,计算了囊体材料的蠕变应变并给出了相应的蠕变曲线,分析了温度对平流层囊体材料蠕变性能的影响。结果表明:承力层为Vectran纤维的平流层飞艇囊体材料具有较低的蠕变率;相同应力状态下,蠕变的性能随温度而变化,温度越高,蠕变量越大,蠕变速度越快。可见温度对囊体材料的蠕变量和蠕变速度有明显的影响,在平流层飞艇的设计和分析中需将其作为参考指标。试验方法为平流层飞艇囊体材料的蠕变性能测试提供了新的试验途径,试验分析结果可应用于平流层飞艇的设计和囊体材料的研究,具有一定的工程应用价值。     

混凝土单轴拉伸损伤试验研究

在几组混凝土试件中,采用掺入不同量的引气剂的试验方法,人为地制造随机的细微空隙,以模拟不同程度的损伤,通过测定几组不同损伤程度混凝土试件的弹性模量和绘制试件受力变形曲线,计算了单轴拉伸情形下的初始损伤和峰值应力所对应的损伤。与前人所做的压缩损伤试验比较,探讨了混凝土材料拉伸与压缩时损伤的区别及相同应变水平下拉伸损伤与压缩损伤的关系,并利用指数函数损伤模型推算了混凝土临界损伤。     

飞艇用层压织物膜材料在双向应力作用下的弹性参数分析

为揭示双向应力作用下飞艇用层压织物膜材料弹性参数的响应特征,针对高性能蒙皮材料Uretek3216LV~进行了一系列双轴拉伸试验,获得了9种应力比例条件下的应力-应变关系数据,并分析了其非线性及正交异性特征;采用膜材料试验标准计算了膜材料的弹性参数,分析了应力比及应力比组合对弹性参数的影响规律;运用Matlab软件进行数值分析,得出应力空间的弹性参数响应曲面特征,并提出应力空间弹性参数加权平均值的计算方法,研究了在不同应力水平及应力比下弹性参数的变化规律.结果表明:层压膜材料的弹性参数之间无耦合关系,正交互补性质在其本构关系上的适用性不足;膜材料的变形特征及弹性参数受应力比及应力比组合的影响显著,且均呈现出明显的非线性及正交异性特征;在飞艇结构设计中,宜根据膜材料所属结构部件的应力比分布特征,选取包含相应应力比的组合项来求取弹性参数,以提高弹性参数计算的稳定性和可靠性.     

华东自然环境下CFRP片材的耐久性能

在华东地区自然暴露环境条件下,对土木工程加固常用的2种碳纤维增强复合材料(CFRP)片材共40个试件进行自然老化3 a的耐久性能试验.考察碳纤维片材的抗拉强度、弹性模量、伸长率等主要的力学性能指标随老化时间的变化.结果表明,随着老化时间的延长,两种片材的抗拉强度和伸长率均略有降低,并且其伸长率的变化趋势与抗拉强度的变化趋势类似;随着老化时间的延长,两种片材的弹性模量变化不大.     

建筑PVC膜材双轴正交拉伸循环试验

通过对PVC膜材进行7种应力比下的双轴正交拉伸循环试验,经纬向应力比值分别为0∶1,1∶5,1∶2,1∶1,2∶1,5∶1和1∶0,对膜材在双轴拉伸作用下的拉伸特性进行了研究.试验表明,经过3次循环作用后,膜材的力学试验性能更接近工程实际情况,且材料具有非线性和正交各向异性.在循环荷载作用下,初次循环后残余应变较大.随着循环次数的增加（一般3次后）,残余应变趋于常数,滞回曲线形状趋于稳定.采用双轴拉伸试验方法测定了PVC膜材的广义泊松比,验证了广义泊松比的非线性特征.试验证明,当经纬向应力比C≥1时,经向应变为正值;当C≥0.5时,广义泊松比变为负值;当应力比C为1∶0或0∶1时,双轴变成单轴试验,广义泊松比测定变成常规泊松比试验.理论和试验均证明当C1时,膜材的经向和纬向同时具有最大的弹性模量.     

硫酸盐、干湿循环和冻融循环耦合作用下混凝土单轴受压模拟

基于硫酸盐腐蚀混凝土单轴受压试验结果,通过对《混凝土结构设计规范》(GB50010—2010)中无腐蚀混凝土单轴压应力-应变关系中的混凝土损伤演化参数进行修正,建立了硫酸盐、干湿循环和冻融循环耦合作用下混凝土单轴受压本构模型。采用修正后的本构模型,以及ABAQUS软件自带的损伤塑性模型,考虑损伤因子的影响,较好地模拟了硫酸盐、干湿循环和冻融循环耦合作用下混凝土的单轴受压行为。有限元模拟结果表明：随着硫酸盐干湿循环次数和冻融循环次数的增大,混凝土最大受压损伤因子逐渐增大,损伤范围也逐渐扩大;最大主拉应力逐渐减小,中部压应力逐渐增大,等效塑性应变逐渐增大,混凝土破坏更严重;破坏均属于最大拉应变强度破坏。所提有限元模型可动态反映参数变化过程中混凝土的应力发展与损伤状态,可应用于硫酸盐、干湿循环和冻融循环耦合作用下混凝土单轴受压的模拟。     

平流层飞艇蒙皮材料I型裂纹研究

 飞艇在平流层环境中受高低温交变、臭氧、紫外辐射等恶劣工况的影响。为研究平流层飞艇蒙皮材料I 型裂纹特性,在单轴向拉伸载荷下,分析了含有初始裂纹的蒙皮材料撕裂裂纹尖端区域变形场的测试方法和裂纹扩展特征。通过初始长度均为20 mm 的单边切口人工模拟预制裂纹试样,采用数字散斑相关方法试验,分别获得I 型裂纹尖端和垂直裂纹尖端的位移场和应变场分布,结合散斑变形图进行相关计算,发现撕裂裂纹扩展过程为近似的脆性断裂特征,垂直于撕裂裂纹扩展方向的材料试样裂纹尖端变形场呈现为离散阶跃变化特征。研究结果表明：该方法可以测量平流层飞艇蒙皮用的柔性层压织物的I 型裂纹尖端变形场,揭示裂纹尖端初始裂纹的扩展规律和演化特征,获得的大范围屈服裂尖长度的裂纹尖端的变形值曲线,可为平流层飞艇蒙皮材料的撕裂损伤变化分析和裂纹尖端变形场测试提供有效的方法。     

基于数字图像技术的飞艇气囊材料应变测试

为了解决传统应变测试技术在飞艇气囊软式结构上应用的困境,开展了基于数字图像相关测试的蒙皮材料应变测试技术研究。结合飞艇蒙皮材料URETEK-3216LV,利用数字图像相关测试技术进行了气囊蒙皮材料本体试样、热合连接试样以及充气球体气囊试样的应变测试。通过测试获得了蒙皮材料本体试样及其热合连接试样的应变场,掌握了其力学特性。气囊蒙皮材料本体试样测试结果精度理想,热合连接试样以及充气球体气囊试样结果符合物理规律,有效地解决了现有传统应变片测试方法中存在的问题。     

考虑组分相互作用的飞艇蒙皮材料力学模型

平流层空间空气稀薄,昼夜温差变化剧烈,巡航状态的平流层飞艇需要承受较大的循环压差载荷。蒙皮作为平流层飞艇的主要承力结构,其材料力学性能直接影响着飞艇的使用性。针对蒙皮材料层压结构特点,构建其细观结构模型。通过研究拉伸过程中纤维纱束与基体和膜层的相互作用,指出承力方向纤维纱束的变形过程分为弯曲状态逐步拉直和产生伸长形变两个阶段。建立了蒙皮材料拉伸过程的非线性力学模型;并通过与准静态拉伸试验获得的材料应力-应变曲线进行对比分析,校验了模型的准确性并分析了模型参数的改变对材料力学性能的影响,为平流层飞艇蒙皮材料结构优化设计提供依据。     

柔性飞艇主气囊不稳定构型阶段力学性能分析

为了揭示柔性飞艇主气囊不稳定构型阶段的力学性能,首先基于迭代薄膜性能法(IMP)编制可分析薄膜褶皱的子程序,通过对比不同单元类型充气管变形结果,找出一种合理的单元类型进行不稳定构型主气囊模拟.在此基础上,以9m柔性飞艇主气囊简化模型为对象,对简化模型在不同约束状态下不稳定构型阶段外形及应力进行分析.研究表明:气压梯度和模型约束是柔性飞艇主气囊在不稳定构型阶段力学性能的重要影响因素,模型从稳定构型到不稳定构型阶段开始的一段时间,形状变化不大,中间阶段模型发生较大的形状改变.不稳定构型阶段在约束部位较稳定构型时更容易发生强度破坏.研究结果对柔性平流层飞艇主气囊结构设计具有参考价值.