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。     

飞艇用层压织物类膜材中心撕裂破坏机理模型

中心撕裂破坏是飞艇用层压织物类膜材失效破坏的基本形式之一.基于层压织物类膜材的平纹织物结构特征,建立了具有平面纱线结构的中心切缝撕裂机理模型,该模型应用了"等效纱线"及"应力集中渐变区"两个概念,分别实现模型参数的简化和应力集中区域应力场分布的细化.运用所提机理模型实现了对不同切缝长度时(10~40mm)经纬向层压织物类膜材撕裂破坏行为特征的预测,分析了蒙皮材料撕裂扩展机理,并结合试验结果证实了模型预测的精确性和可行性.由模型分析获得了蒙皮材料在渐变区推移过程中的撕裂承载力及变形特征,发现纱线的失效应变、弹性模量以及编织密度等是影响蒙皮材料撕裂抗力的主要因素.所得结论及研究方法可为层压织物类膜材的强度设计、裂纹止裂分析及结构的安全性评估提供理论参考.     

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力分布。模拟结果表明:与单轴拉伸强度模拟值相比,摩擦因数为0～1时,撕裂强度下降3.34%～38.08%;当纱束间绑定时,撕裂强度下降了76.00%。纱束间摩擦因数的增大,加剧了切缝尖端纱束的应力集中程度,降低了试件的撕裂强度。     

织物膜材弹性参数在应力空间上响应特征及非线性本构分析

为揭示飞艇用层压类膜材弹性参数在平面应力空间上的响应特征,首先以高性能蒙皮材料Uretek3216LV为研究对象开展一系列双轴拉伸试验,获得多比例应力应变关系数据;然后运用MATLAB软件进行数值处理,分析得出应变及弹性参数在应力空间上的响应曲面特征.基于积分加权方法,分析了弹性参数在不同应力水平及应力比例上变化规律.研究发现正交互补性质在蒙皮材料弹性参数计算时的适用性不足,且材料弹性参数表现出明显正交异性特征.另外,层压织物膜材异于均质材料,大泊松比(0.5)的存在是其经纬纱间复杂相互作用及变形机理的体现.     

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。     

三点弯曲试样裂纹撕裂扩展的研究

采用三点弯曲试样,根据撕裂模量理论对裂纹撕裂扩展的稳定性进行了理论及试验研究,得出了适用于对三点弯曲试样施加撕裂模量 T_(app)的计算,该式涉及材料硬化参数、系统柔度及试样几何尺寸等诸方面因素;通过调整系统柔度得到了明显的裂纹稳定扩展和撕裂失稳扩展两种现象,实验结果与撕裂模量理论分析结果相符。     

裂纹尖端三维变形场的细观力学研究

裂纹尖端的变形在裂纹萌生和扩展过程中起着重要的作用。本文从理论上讨论了裂纹尖端面内变形场 ,对理论解和级数解作了比较 ,结果表明该级数解收敛很快 ,取到第 3项已接近理论解。通过试验测量了裂纹尖端的三维变形场 ,分别将面内变形场和离面变形场与理论面内变形场和有限元计算的离面变形场作了比较。表明裂纹尖端 3个方向的变形同时存在 ,在细观水平上均不能忽略     

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.     

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。     

中心切口对柔性经编金属网拉伸性能的影响

对柔性经编金属网眼织物进行预置中心切口处理(切口形式包括横向、斜向、纵向),并在低速拉伸条件下对其拉伸性能进行测试.对切口试样的破坏过程和拉伸负荷-伸长曲线进行对比分析,并在不同切口形式下,研究试样的切口敏感性.试验结果表明:预置切口的引入明显地劣化了金属网眼织物的力学性能;柔性经编金属网眼织物对横向切口具有较强的切口敏感性,对斜向和纵向切口不敏感,这是因为切口试样在拉伸过程中的"束腰"现象弱化了这两种切口形式的应力集中.     

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。     

应用数字散斑相关技术进行薄膜材料断裂问题研究

将数字散斑相关测量方法应用于薄膜材料断裂问题研究,测量了薄膜材料的常规力学性能参数及裂纹尖端区域位移场。通过裂纹尖端区域位移场确定了应力强度因子(SIF),从而在技术上解决了薄膜材料断裂力学性能测试的困难、工作表明,此方法可有效地应用于薄膜等小尺寸材料的实验应力分析及断裂行为。     

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.     

建筑膜材料撕裂强度的测试方法及撕破机理研究

比较了目前国外用于测试膜材料撕裂强度的主要方法和标准，分析了不同测试方法对膜材料撕裂强力的影响，讨论了膜材料的撕裂机理。试验研究表明双舌撕裂法很难稳定控制裂缝撕裂方向，从而导致无效试样较多，不适合用于膜材料撕裂性能测试。中心裂缝撕裂法的测试结果受试样裂缝尺寸的影响较大，在提出新的测试指标之前，暂不宜将其测出的断裂强力直接作为膜材料的特征参数。梯形撕裂法的撕裂模式单纯，试验结果也较稳定，是值得推荐的膜材料撕裂强度测试方法。     

Investigation of the microcrack evolution in a Ti-based bulk metallic glass matrix composite

The initiation and evolution behavior of the shear-bands and microcracks in a Ti-based metallic-glass–matrix composite(MGMC) were investigated by using an in-situ tensile test under transmission electron microscopy(TEM). It was found that the plastic deformation of the Ti-based MGMC related with the generation of the plastic deformation zone in crystalline and shear deformation zone in glass phase near the crack tip. The dendrites can suppress the propagation of the shear band effectively. Before the rapid propagation of cracks, the extending of plastic deformation zone and shear deformation zone ahead of crack tip is the main pattern in the composite.     

平流层平台柔性飞艇结构弹性分析理论

基于工程弹性理论,对平流层平台柔性飞艇进行了结构分析.分别运用无矩薄壳理论和虚功原理推导了柔性飞艇应力和总体变形的计算式;将薄膜充气梁挠度计算式进行推广,运用叠加原理推导了柔性飞艇总体变形的解析表达式,计算结果验证了变形计算方法的正确性.给出了飞艇正常设计极限状态临界弯矩与最小气压计算公式.最后,对25 m验证飞艇进行计算,得到了浮心、重心等参数,进行了柔性飞艇的最小压力设计,讨论了飞艇承受的弯矩及其作用下的变形,为验证飞艇的设计提供依据.     

含裂纹各向异性复合材料板的断裂分析

在弯扭载荷作用下,研究线弹性各向异性纤维复合材料板裂纹尖端附近的应力场、位移场。利用复变函数方法,选取带参数的挠度函数作为控制方程的解,借助边界条件,确定未知参数,得到满足偏微分方程边值问题的解,从而推出裂纹尖端附近的应力和位移计算公式。所得到的公式在有关的断裂分析中有重要的参考作用。     

焊接接头裂端塑性区发展与应力三轴性

采用有限元计算方法分析了平面应变条件下中心裂纹和三点弯曲不同强度匹配和裂纹深度试样中的裂端场．结果发现，焊接接头裂端应力三轴性随加载方式、裂纹长度及焊缝和母材匹配性质不同而变化，并从焊缝和母材塑性区发展及应变硬化方面进行了解释．同时指出，由于焊缝和母材塑性变形及交互作用导致的裂端韧带上拉应力的改变是不同接头中应力三轴性变化的根本原因