复合固体推进剂/衬层粘接界面细观结构数值建模及脱粘过程模拟

对复合固体推进剂及复合固体推进剂/衬层粘接试件微CT扫描后重构的图像进行了分析和统计,得到了其细观形貌特征及推进剂颗粒典型尺寸。对颗粒填充算法进行了扩展,并以最小代表体积元为基础构建了复合固体推进剂/衬层粘接体系二维细观数值模型。使用cohesive单元表征颗粒/基体和推进剂/衬层界面,分析了不同老化时间复合固体推进剂/衬层在单向拉伸作用下的脱粘过程。结果表明该数值模型及分析方法能从细观上准确地模拟复合固体推进剂/衬层的脱粘过程。为细观层面上研究复合固体推进剂/衬层脱粘提供了有效的数值模型和分析方法。     

颗粒失效对SiCp/Al复合材料强度的影响

建立复合材料屈服强度综合模型用于分析研究增强颗粒断裂和基体与颗粒的界面脱粘对SiCp／Al复合材料强度的影响;用Eshelby等效夹杂理论分析SiCp/Al复合材料受载时作用在SiC颗粒上的应力,并假设SiC颗粒失效符合Weibull分布,在综合考虑复合材料各种强化机制的基础上引入颗粒断裂和界面脱粘对材料屈服强度的影响,建立SiCp／Al复合材料的屈服强度模型并对模型进行解析。研究结果表明：SiCp/Al复合材料屈服强度随着SiC颗粒含量增加而增加;当颗粒粒度为微米级时,屈服强度随着粒度的减小而增加;在屈服状态下,当颗粒粒度较小时,复合材料的颗粒失效以界面脱粘为主;随着粒度的增大,颗粒的断裂分数迅速增大,颗粒失效则转变为由颗粒断裂和界面脱粘共同控制。     

固体火箭发动机粘接界面湿热老化实验

对固体火箭发动机粘接界面试验件进行了不同湿热条件下的加速老化试验,并测量了不同老化时间粘接界面的扯离强度,描述了湿热老化试验和性能测试中的试验现象,结合复合材料微粘接结构吸湿规律对试验现象和撤离强度随老化时间变化曲线进行了分析。研究结果表明:衬层-推进剂粘接界面是固体火箭发动机粘接结构中最薄弱环节,应予以重点考虑；湿热老化促进了环境水分从衬层–推进剂界面向推进剂内部的扩散和渗透,致使弱边界层向推进剂内部扩展,导致了衬层-推进剂界面粘接强度的降低。试验件平均扯离强度随老化时间呈下降趋势,中间有一个强度趋于稳定的平台期。      

粗粒含量对砂卵石土宏细观力学特性影响分析

摘 要: 砂卵石土粗粒含量对基坑及隧道围岩等稳定性影响较大,然而不同粗粒含量砂卵石土宏细观力学特性尚不明确。采用室内大型粗粒土三轴试验与数值三轴试验相结合的方法,对不同粗粒含量砂卵石土宏观及细观力学特性开展研究。研究结果表明：随着粗粒含量增加,砂卵石土的应力应变曲线表现为应变软化性;围压不变时,砂卵石土随着粗粒含量增加,应力峰值增大而达到峰值时的应变逐渐减小;建立了砂卵石土粗粒含量与内摩擦角和粘聚力等力学指标之间函数关系,随着粗粒含量的增加,砂卵石土的内摩擦角与粘聚力呈线性增大;提出了不同粗粒含量砂卵石土的接触模量、颗粒刚度比、摩擦系数、接触粘结强度等颗粒离散元细观参数。研究成果为砂卵石地层工程精细化设计及施工提供理论支撑。     

固体装药人工脱粘层前缘界面脱粘分析

基于某固体火箭发动机装药结构的人工脱粘结构,分别对壳体、绝热层、衬层和药柱进行结构化网格划分。在固化降温过程中,对装药结构尤其是头部人工脱粘层前缘部位分别进行线性结构分析和考虑到边界非线性的接触分析。通过对两种结果的比较,分析边界非线性的引入对前缘应力应变的影响;然后通过头部人工脱粘部位界面之间的接触正应力,对人工脱粘前缘部位进行脱粘分析。相比线性分析,边界非线性的考虑使得人工脱粘层前缘部位应力应变的数值模拟更加接近真实水平,可以更准确地进行前缘部位的脱粘分析。     

土工格栅老化对双向复合地基性状影响的室内模型试验

为研究土工格栅老化时长对双向复合地基性状影响的规律,对土工格栅进行光氧、热氧老化,选用不同老化时长的土工格栅作为双向复合地基的横向增强体,建立双向复合地基室内模型,定时监测复合地基及其各组成部分(包括褥垫层、桩体加固区和桩底持力层)的沉降、土工格栅应变和土工格栅上下的土压力;分析经不同时长老化的土工格栅对双向复合地基及其各组成部分沉降、土工格栅应变和土工格栅上下桩土应力比的影响规律。试验发现:双向复合地基及其各组成部分沉降值和土工格栅应变量均随土工格栅老化时长增大而增大;土工格栅下侧桩土应力比和复合地基承载能力均随土工格栅老化时长增大而减小;土工格栅上侧桩土应力比与土工格栅老化时长无关。     

压剪耦合条件下沥青-集料界面粘脱滑移特征行为研究

为探求沥青与集料界面间的压剪断裂失效机制,在研发测试加载系统及分析原材料基本物性参数的基础上,通过制作沥青-集料三明治试件,开展了不同影响因素(集料粗糙度、沥青老化、环境温度及加载速率等)下沥青-集料界面的粘脱滑移特征行为研究,定量感知了沥青-集料界面的应力传荷与粘脱滑移过程,构建了沥青-集料界面的粘脱滑移本构模型.结果表明:增大粗糙度和法向应力与加快荷载速率能够提升界面抗剪能力与剪切抑制能;沥青老化在一定程度上能够提高界面抗剪强度,但降低了界面剪切抑制能;所构建的粘脱滑移本构模型能够表征沥青-集料界面在压剪耦合状态下应力变化三阶段特征.研究成果可为沥青混合料复杂力学行为的细观分析提供理论支撑,并为混合料结构参数的优化设计提供科学依据.     

冻融循环下土石混合体-混凝土界面剪切特性及孔隙结构演化特征试验研究

为探明冻融循环下寒区土石混合体-混凝土界面强度劣化机制,首先,通过核磁共振(NMR)分层测试获取界面区孔隙结构演化特征;其次,考虑冻融循环次数、含石率、法向应力的影响开展直剪试验,以探究界面剪切力学特性;同时,基于分形理论定量评价界面区孔隙结构特征;最后,结合界面区孔隙结构演化特征与界面强度劣化规律揭示界面强度劣化机理。研究结果表明：土石混合体层及界面层T₂谱分布均有2个峰值,随冻融次数增加向右发生偏移,反映了冻融过程孔隙结构的演化特性;界面剪切应力-位移曲线表现为应变软化型,界面抗剪强度及黏聚力随冻融次数增加呈现急剧下降、反翘、缓慢下降3个阶段;分形维数随冻融次数的增加呈先增大后减小趋势,随含石率的增加而增大;第1次冻融循环后,界面区土颗粒聚集成较大的团聚体,界面层孔隙体积增大,孔隙复杂程度变大,界面整体性下降,经历5次冻融后,团聚的土颗粒逐渐变脆破碎导致骨架塌落、孔隙体积减小,界面处黏结力增大,称第5次冻融循环为骨架结构变形“分水岭”,之后随冻融次数的增加碎石外部的土颗粒逐渐剥落,界面区孔隙体积增大,界面逐渐脱黏劣化。     

火箭发动机固体推进剂老化研究

针对影响长期储存固体火箭发动机性能的固体推进剂老化问题,探讨了固体推进剂老化的主要因素;从固体推进剂组分的影响、环境湿度、储存温度等方面分析了其影响固体推进剂老化的机理;对推进剂老化预估研究方法进行了比较详尽的总结和评述,重点分析了固体推进剂老化失效预估的力学性能法、活化能法、凝胶含量法、傅里叶红外光谱分析法和动态粘弹分析法,并对这些研究方法的内容和结果的可信度进行了分析.最后从深入研究固体推进剂的老化机理以及结合现代分析仪器的应用等方面对固体推进剂老化研究的发展趋势进行了展望.     

砂卵石层隧道离散元细观参数标定及影响规律研究

砂卵石层隧道围岩具有大小颗粒混杂,形状不规则等特点.在进行数值分析时与传统有限元计算差别较大.因此,运用离散元颗粒流软件对砂卵石层隧道围岩进行细观参数标定及数值模拟,通过开展室内试验以及砂卵石层细观参数影响规律研究.结果表明,二维模型和三维模型的细观参数标定结果不同,且相同细观参数情况下,二维模型得到的峰值强度远大于三维模型;颗粒粒径与试样尺寸对于应力应变曲线形态有显著影响,但当颗粒粒径与试样尺寸比值大于1/60时,影响减弱;颗粒形状对于应力应变曲线特征值有较大影响,颗粒越扁平,峰值强度越高,颗粒越接近圆形,则峰值强度越低.通过对砂卵石层围岩进行数字图像处理,得到了砂卵石层围岩的颗粒性状,结合筛分试验和大型三轴剪切试验,标定得到了不同相对密实度及不同含水率情况下的砂卵石层细观参数.     

颗粒脱黏对异质摩擦界面点接触弹流润滑的影响

建立了异质摩擦界面点接触弹流润滑模型,利用MATLAB对其进行数值仿真,研究了颗粒脱黏对接触区域油膜厚度和压力分布的影响,并分析了异质材料内部的最大剪应力分布情况。结果表明,不同形式的颗粒脱黏均会增加颗粒分布区域的油膜厚度,其中颗粒上方脱黏的作用最为明显;随着颗粒埋布深度的增加,其脱黏对于膜厚的影响逐渐减小,高弹性模量颗粒脱黏对油膜厚度变化的影响小于低弹性模量颗粒脱黏;颗粒发生脱黏后,油膜压力会在油液移出颗粒分布区域时产生激增,严重影响点接触弹流润滑性能;颗粒脱黏会在颗粒靠近脱黏区域的两侧形成很大的剪应力,从而导致异质材料产生裂纹甚至断裂等进一步失效。     

Ⅱ型加载条件下复合材料与管线钢共固化界面有效搭接长度试验

为了确定复合材料与管线钢共固化胶结界面受剪时的有效搭接长度,设计了双搭接胶结试件拉伸试验.对界面在Ⅱ型加载条件下的失效扩展过程进行了试验研究和有限元模拟.试验结果表明,界面的破坏形式为脱粘失效.试验得到了复合材料表面沿拉伸方向上的应变分布规律,胶结界面剪切应力与滑移量之间的关系(Bond-Slip曲线),计算可得Ⅱ型加载条件下复合材料与管线钢胶结界面的临界能量释放率为1062 N/m,界面的有效搭接长度约为15.5 mm.将临界能量释放率应用到有限元模拟的界面本构,模拟得到的复合材料沿拉伸方向的应变分布规律与试验结果对比较好.有限元分析结果表明,裂纹沿着胶结界面由两侧向中间位置逐渐发生与扩展.     

水泥土泥皮下土与结构接触面的单剪特性

采用大型单剪仪进行粗粒土与混凝土接触面在水泥土泥皮(粘土中掺入水泥)条件下的剪切试验,揭示泥皮条件下接触面的力学特性与机理.试验结果表明,峰值强度以及剪胀发生所对应的位置与法向应力大小有关,峰值强度所对应的剪应变滞后于产生剪胀的位置.剪切破坏时,在同一高度处,法向应力越大,切向位移也越大;同样的法向应力及高度处,切向位移随水泥含量的提高而增大.以单剪试验为原型,采用颗粒流模拟程序PFC建立水泥土泥皮条件下粗粒土与混凝土接触面的单剪模型,通过对接触面试验试样内部特征点在剪切过程中运动状态的追踪,分析了土体的扰动高度及其主要影响因素.研究发现,扰动高度与粗粒土的最大粒径、法向应力以及粗糙程度(有无泥皮)等有关.对粗粒土,靠近结构面3～4倍最大粒径的区域内土颗粒切向位移明显,形成明显的剪切错动带,因此,建议该剪切错动带厚度为有厚度接触面单元厚度.     

603钢动态剪切性能及失效分析研究

采用基于霍普金森杆的新型加载技术对603钢的动态剪切性能进行了测试研究,并分析了其失效的微观机理.在超过10⁴ s^-1的应变率下获得了材料的剪应力-剪应变曲线,并结合实验观测确定了材料的失效参数.结果显示,材料的流动应力存在明显的应变率强化效应;而且随着应变率的升高,失效应力略有上升,而失效应变逐渐降低.ABAQUS/Explicit有限元分析软件所得剪应力-剪应变曲线与实验结果吻合较好.通过断口分析可知,材料的失效总体表现为韧性断裂,同时受到绝热剪切作用的影响;在高应变率下,材料的绝热剪切现象更加明显.     

丁羟推进剂结构状态与力学性能的相关性研究评述

贮存过程中的老化使丁羟复合固体推进剂的结构状态发生变化从而对其力学性能产生影响,严重影响推进剂装药的结构完整性和发动机的使用寿命.针对这一问题,国内外相关学者进行了大量的研究工作.从理论研究与实验研究两方面介绍了国内外该领域的相关研究进展,重点对研究取得的主要成果和存在的问题进行了分析评述.通过分析总结,指出了本领域未来的研究方向和研究重点,提出了具体的研究思路.分析认为,丁羟推进剂作为一种固体填料填充的高分子复合材料,其结构状态与力学性能密切相关.从推进剂的化学结构、网络结构和微观结构等方面来研究其结构状态与力学性能的相关性,对揭示固体推进剂化学-力学关联失效机理颇有裨益.     

土石混合体原位试验的颗粒流数值模拟分析

基于颗粒流理论和PFC程序,解决了不规则碎石(clump)的生成、恒定法向荷载施加、剪切面的含石量等问题后,建立了土石混合体原位试验的颗粒流数值模型,对不同含石量、法向应力下土石混合体的直剪试验进行模拟,并与原位直剪试验的结果进行比较.结果表明：随着含石量增加,剪切应力及其峰值增大,剪切应力峰值对应的剪切位移减小;在低法向应力条件下,土石混合体表现为剪胀;在高法向应力下,土石混合体表现为先剪缩而后剪胀,并呈现出压剪破坏特征;剪切面附近分布的不规则碎石在剪切过程中出现挤压滑动与滚动,使得剪切破坏面出现凹凸,而且剪应力、法向位移、应变能随剪切位移增加而出现波动和平缓段;数值试验所得剪切应力峰值略高于其试验值,减小模型颗粒半径,可以有效降低计算的剪切应力峰值.     

界面强度对纤维增强复合材料宏观韧性的影响

 研究不同的界面强度对纤维增强复合材料宏观韧性的影响。考虑材料的细观非均匀分布,采用数值试验的方法模拟了带缺口的纤维增强复合材料试件在单轴拉伸情况下的损伤破裂过程。结果表明,在满足界面应力传递所需强度的前提下,界面强度对复合材料宏观韧性影响很大,复合材料的宏观韧性随界面强度的提高而降低。且在较弱界面纤维增强复合材料破坏时,可以观察到界面脱粘、裂纹偏折、纤维桥联和拔出等现象。     

AP/Al/ferrocene 混合体系粉尘爆炸下限质量浓度实验研究

从粉尘点火模式探讨了高压水射流作用下复合推进剂的点火机理.采用改进的哈特曼管粉尘爆炸装置,进行了高氯酸铵/铝粉/二茂铁(AP/Al/ferrocene)混合体系粉尘爆炸下限质量浓度的实验研究,分析了混合体系粉尘爆炸的过程,研究了组分、环境温度、湿度对爆炸下限质量浓度的影响.结果表明,随着湿度的增加,粉尘体系爆炸下限质量浓度升高;而随着温度的增加,粉尘体系爆炸下限质量浓度则降低;此外,高氯酸铵和二茂铁的质量分数是影响混合体系爆炸下限质量浓度的敏感因素.     

不同温度环境下加肋土工膜与砂土界面拉拔试验的颗粒流数值模拟

为了研究垃圾填埋场衬垫系统中加肋土工膜与砂土界面特性,通过对比室内拉拔试验,运用离散单元法的二维颗粒流程序(2D particle flow code,PFC2D),模拟了不同加肋高度和温度组合下的加肋土工膜与砂土界面拉拔试验,得到了加肋土工膜与砂土界面的宏观应力-应变曲线、细观颗粒间位移场和应力场的变化规律.研究结果...     

薄膜涂层材料的界面破坏准则

为了确定界面起裂位置及条件的评价方法,通过对引入假想界面裂纹的划痕实验的数值分析,讨论了界面的起裂位置.根据起裂位置的不同界面应力状态及相应的实验结果,提出了界面破坏的强度准则.实验和分析结果表明,在划痕实验中,起裂位置由最大界面剪应力决定,但起裂条件不仅与界面剪应力有关,而且与起裂位置处的界面压应力有关,界面压应力越大,导致界面起裂的界面剪应力也越大.该薄膜界面结合强度的评价准则,不受具体实验条件的影响,具有通用性.