温度循环载荷对柔性接头界面损伤的影响

固体火箭发动机在生产、运输和储存的过程中会受到环境湿热和老化载荷的作用,导致柔性接头界面的力学性能产生退化.为研究柔性接头界面力学性能退化对界面损伤的影响规律,基于双线性内聚力模型建立了一种描述界面力学性能退化的数学模型.以某柔性接头为研究对象,为便于研究,以温度循环载荷代替环境老化载荷开展了界面损伤分析,并采用ABAQUS 6.14进行了仿真.结果 表明,与后法兰粘接的界面损伤程度最大.当温度循环周期达到672次时,界面13和界面14的损伤程度分别由初始状态的2.9％和4.3％增加到5.2％和8.2％,增幅分别高达81.2％和91.7％.同时,温度循环载荷会加速柔性接头的界面损伤.该界面力学性能退化模型可为柔性接头老化研究提供参考.     

固体薄膜/液体膜/基底层状结构中液体膜/基底界面不平整性对结构稳定性影响

考虑液体层较薄的情况下液体膜/基底间界面不平整对结构的稳定性,特别是固体薄膜稳定时的褶皱变形产生的影响。用一扰动函数模拟液体膜/基底间界面的不平整,计算固体膜受力变形前后结构能量的变化,进而分析其稳定性。取两个扰动函数的特例,具体分析了液体膜/基底间界面不平整对结构能量变化以及对结构平衡态的影响。结果表明,平衡时固体膜褶皱变形与原来假设液体膜/基底间界面为理想平整面所得的结果有很大不同。     

软材料粘接结构界面破坏研究综述

软材料已经在软机器人、生物医学及柔性电子等各个领域得到广泛的应用. 实际应用中, 软材料多需要粘附于不同类型的基底上, 与之共同组成工程构件进而实现特定的功能, 粘接界面性能对构件的结构完整性与功能可靠性起着关键性作用. 本文对目前软材料粘接结构界面破坏行为方面的研究进行了系统总结. 首先通过与传统粘接结构的对比, 指出了“软界面”与“软基体”两种软材料粘接结构界面破坏行为的独特性及其物理本质. 接着分别总结了“软界面”与“软基体”两种粘接结构界面破坏行为的实验表征方面的研究成果, 对界面及基体黏弹性耗散对界面破坏机理的影响分别进行了分析. 然后从理论角度, 介绍了针对两种软材料粘接结构界面破坏行为的理论分析方法, 并对已建立的相关理论模型进行了总结. 之后以内聚力模型方法为基础, 介绍了软材料粘接结构界面破坏行为数值模拟方面的相关研究进展. 最后基于已有的研究成果, 提出了目前研究所面临的挑战, 并对可能的软材料粘接结构界面破坏的未来研究方向进行了讨论和展望.      

石墨烯与柔性基底界面载荷传递的拉曼光谱实验

本文研究了CVD制备的大尺寸石墨烯与柔性PET基底在拉伸变形过程中切向界面载荷传递的问题,采用原位拉曼光谱实验给出了加载过程中石墨烯的正应变、正应力以及界面切应力的分布曲线。分析表明,石墨烯与PET基底间的载荷传递存在四个阶段,分别是初始阶段、粘附阶段、滑移阶段和界面脱粘破坏阶段。在此基础上,本文对50μm、140μm、270μm和600μm四种尺寸石墨烯试件的界面力学性能进行测量,得到了不同尺寸石墨烯试件的界面力学性能参数,并初步给出了基底变形引起的石墨烯切向界面粘接能的变化,同时分析了试件尺寸对石墨烯界面力学性能的影响。实验结果表明,石墨烯材料和柔性基底最大切应力与临界脱粘切向界面粘接能等界面强度指标受到尺寸的显著影响,尺寸越小切向界面强度越高,反之,尺寸越大则越低。     

高压干气密封扭转变形结构因素影响分析

基于圆环理论以及气体润滑理论,以复杂截面机械密封环为研究对象,建立密封扭转变形无量纲分析模型;提出了干气密封端面膜压引起端面扭转变形的计算方法,并基于该法,采用多因素优化法研究密封环结构和辅助密封圈安放位置等因素对其扭转变形的影响规律,以期使结构影响规律化.结果表明:采用解析法与集中法计算膜压扭转变形是可行的;各结构参数对扭转变形的影响规律及程度不同;扭转角随台阶半径比π2、长度比π3、O型圈位置的长度比π5的增大而增大,随宽度比π4、内径ri的增大而减少;扭转角在π4≤3.5时随长宽比π1的增大而减小,当π43.5时,随π1的增大先增大后减小,在π1=2~3间形成最大值;π1值相比π2值,对扭转角影响不大;相比π1、π2、π3和π4的影响,ri和π5影响较小,相比密封结构,O型圈位置影响较小.     

各向同性材料接头和界面相交裂纹应力奇异性特征分析

提出了用插值矩阵法分析各向同性材料接头以及与界面相交的平面裂纹应力奇异性。基于接头和裂纹端部附近区域位移场渐近展开,将位移场的渐近展开式的典型项代入线弹性力学基本方程,得到关于平面内各向同性材料接头以及与两相材料界面相交裂纹应力奇异性指数的一组非线性常微分方程的特征值问题,运用插值矩阵法求解,获得了两相材料平面接头端部应力奇异性指数以及与界面以任意角相交的裂纹尖端的应力奇异性指数随裂纹角的变化规律,数值计算结果与已有结果比较表明,本文方法具有很高的精度和效率。     

两关节压力驱动柔性仿生机器鱼的设计与仿真

为研究设计一种柔软度高、环境适应性强的新型仿生机器鱼, 模仿鲨鱼外形及鲔科鱼类的游动姿态, 设计了一种采用液压柔性驱动结构的仿生机器鱼. 针对单关节液压驱动柔性机器鱼存在其C型摆动姿态不符合鲔科鱼类摆动规律的问题, 采用两关节液压柔性驱动模拟鱼类S型摆动, 并根据液压柔性驱动器原理设计仿生鱼的内部结构. 依据理论波动方程确定机器鱼的摆动幅值, 借助数值模拟计算施加在柔性驱动器内部的压强载荷大小, 并分析计算液压柔性驱动器的驱动效率. 应用有限元分析软件模拟仿生鱼在流体中的自主游动过程, 并将两关节机器鱼与单关节机器鱼的自主巡游过程进行对比仿真, 获得两种机器鱼在流体中自主巡游时的运动姿态、游动速度及流场情况. 结果表明, 在相同的频率与尾鳍摆幅下, 两关节柔性机器鱼的巡游平均速度为0.29 BL/s (BL为鱼体体长), 高于单关节机器鱼巡游平均速度0.15 BL/s, 且由速度矢量图可得出两关节仿生鱼的S型摆动姿态更接近真实鱼类摆动规律, 并在运动过程中会产生一系列离散的反向卡门涡街, 推进效率高.      

两关节压力驱动柔性仿生机器鱼的设计与仿真

为研究设计一种柔软度高、环境适应性强的新型仿生机器鱼,模仿鲨鱼外形及鲔科鱼类的游动姿态,设计了一种采用液压柔性驱动结构的仿生机器鱼.针对单关节液压驱动柔性机器鱼存在其C型摆动姿态不符合鲔科鱼类摆动规律的问题,采用两关节液压柔性驱动模拟鱼类S型摆动,并根据液压柔性驱动器原理设计仿生鱼的内部结构.依据理论波动方程确定机器鱼的摆动幅值,借助数值模拟计算施加在柔性驱动器内部的压强载荷大小,并分析计算液压柔性驱动器的驱动效率.应用有限元分析软件模拟仿生鱼在流体中的自主游动过程,并将两关节机器鱼与单关节机器鱼的自主巡游过程进行对比仿真,获得两种机器鱼在流体中自主巡游时的运动姿态、游动速度及流场情况.结果表明,在相同的频率与尾鳍摆幅下,两关节柔性机器鱼的巡游平均速度为0.29 BL/s(BL为鱼体体长),高于单关节机器鱼巡游平均速度0.15 BL/s,且由速度矢量图可得出两关节仿生鱼的S型摆动姿态更接近真实鱼类摆动规律,并在运动过程中会产生一系列离散的反向卡门涡街,推进效率高.     

界面上应力波传播规律的动态光弹性试验研究

采用动态光弹性方法,对应力波在杆-杆和板-板双材料连接界面上的反射和透射传播规律展开研究．通过对双材料粘接模型施加冲击载荷作用,采集和分析等差线条纹,计算出最大剪应力值．对于两种试验模型应力波在界面上都以透射为主,对应力波的阻隔作用不明显,这与接触式界面对应力波有较强的阻隔作用有较大区别,在应用界面减弱应力波的作用时应注意区分．试验结果与理论计算结果基本保持一致,并由此证明采用动态光弹性法研究应力波在界面上传播规律的可行性．     

结构可靠性仿真方法研究

可靠性仿真是对复杂结构系统进行可靠性分析计算最为有效的方法,引起了研究者越来越广泛的关注.综合目前结构可靠性仿真方法研究现状,介绍了蒙特卡罗(Monte-Carlo,MC)法、极限状态方程重构法、随机有限元法(stochastic finite element method,SFEM)进行结构可靠性仿真计算的特点及发展现状,归纳了固体火箭发动机(solid rocket motor,SRM)结构可靠性的特点及当前进行仿真的方法;并在此基础上分析了目前结构可靠性仿真方法及对SRM结构可靠性进行仿真分析计算时存在的不足及需要进一步研究的内容.     

THE PERFORATION PARAMETER OPTIMIZATION FOR MULTI FRACTURE INITIATION IN HYDRAULIC FRACTURING

针对复杂地质近井筒多裂缝起裂的难题, 结合岩体力学与损伤力学相关理论, 建立了近井筒地层流固——损伤力学模型, 采用数值求解获得了射孔壁面的应力及损伤状态, 计算表明:初始地应力最小值越小, 地层的起裂压力越低;射孔方位角越小, 起裂压力越低. 随着射孔方位角增大, 近井筒微裂缝为45° 夹角的拐折裂缝, 起裂压力增大, 基于此, 对于正断层及顺滑断层地应力类型, 取射孔方位角小于30°, 螺旋射孔夹角30°或45°, 对于逆断层地应力类型, 螺旋射孔夹角取45°, 可有效地实现多裂缝起裂.     

双材料界面断裂力学模型与实验方法

纤维增强聚合物(FRP)质轻、高强, 可提高结构的刚度、强度、抗震性能和耐久性, 近年来在结构加固及工程改造中得到广泛应用. FRP与传统复合材料之间形成双材料黏结界面, 界面断裂特性是决定双材料结构性能的关键因素. 对双材料界面裂纹尖端应力场理论、界面裂纹模型、黏结界面I型、II型及混合型断裂试验及理论研究现状进行综合评述和分析. 界面模型主要有经典梁/板理论和刚性节点模型、考虑剪切变形的双亚层理论和半刚性节点模型、基于双亚层理论的柔性节点模型、考虑剪切变形的多层亚层理论和多亚层柔性节点模型、弹性地基梁模型以及黏聚模型. 还介绍了双材料界面断裂力学在FRP-混凝土研究中的应用.      

短纤维增强EPDM包覆薄膜超弹性本构模型

短纤维增强三元乙丙橡胶(EPDM)包覆薄膜用于一种新型缠绕包覆工艺,主要解决复杂构型自由装填药柱外表面可靠性包覆问题.为了描述其在固体火箭发动机工作过程中产生的大变形、非线性和各向异性等力学行为,根据纤维增强复合材料连续介质力学理论,提出了各向异性超弹性本构模型.该模型中单位体积的应变能函数被解耦成两部分:表征各向同性的橡胶基体应变能和表征各向异性的纤维拉伸应变能,通过引入纤维方向对纤维应变能进行修正,给出了通过单轴拉伸、偏轴拉伸实验数据获取模型参数的具体方法.研究结果表明,该模型能够很好地预测材料在纤维方向0°~45°时的各向异性力学特性,并将预测结果与实验数据对比,误差在5%以下.所建立的各向异性超弹性本构模型准确性高、易于实现数值开发,在一定程度上能够为固体火箭发动机的装药结构完整性分析提供理论依据.     

3D printed,bio-inspired prototypes and analytical models for structured suture interfaces with geometrically-tuned deformation and failure behavior

Geometrically structured interfaces in nature possess enhanced, and often surprising, mechanical properties, and provide inspiration for materials design. This paper investigates the mechanics of deformation and failure mechanisms of suture interface designs through analytical models and experiments on 3D printed polymer physical prototypes. Suture waveforms with generalized trapezoidal geometries (trapezoidal, rectangular, anti-trapezoidal, and triangular) are studied and characterized by several important geometric parameters: the presence or absence of a bonded tip region, the tip angle, and the geometry. It is shown that a wide range (in some cases as great as an order of magnitude) in stiffness, strength, and toughness is achievable dependent on tip bonding, tip angle, and geometry. Suture interfaces with a bonded tip region exhibit a higher initial stiffness due to the greater load bearing by the skeletal teeth, a double peak in the stress–strain curve corresponding to the failure of the bonded tip and the failure of the slanted interface region or tooth, respectively, and an additional failure and toughening mechanism due to the failure of the bonded tip. Anti-trapezoidal geometries promote the greatest amplification of properties for suture interfaces with a bonded tip due the large tip interface area. The tip angle and geometry govern the stress distributions in the teeth and the ratio of normal to shear stresses in the interfacial layers, which together determine the failure mechanism of the interface and/or the teeth. Rectangular suture interfaces fail by simple shearing of the interfaces. Trapezoidal and triangular suture interfaces fail by a combination of shear and tensile normal stresses in the interface, leading to plastic deformation, cavitation events, and subsequent stretching of interface ligaments with mostly elastic deformation in the teeth. Anti-trapezoidal suture interfaces with small tip angles have high stress concentrations in the teeth and fail catastrophically by tooth failure, whereas larger tip angles exhibit a shear failure of the interfaces. Therefore, larger tip angles and trapezoidal or triangular geometries promote graceful failure, and smaller tip angles and anti-trapezoidal geometries promote more brittle-like failure. This dependence is reminiscent of biological systems, which exhibit a range of failure behaviors with limited materials and varied geometry. Triangular geometries uniquely exhibit uniform stress distributions in its teeth and promote the greatest amplification of mechanical properties. In both the bonded and unbonded cases, the predictions from the presented analytical models and experimental results on 3D printed prototypes show excellent agreement. This validates the analytical models and allows for the models to be used as a tool for the design of new materials and interfaces with tailored mechanical behavior.     

结构可靠性仿真方法研究简

可靠性仿真是对复杂结构系统进行可靠性分析计算最为有效的方法,引起了研究者越来越广泛的关注. 综合目前结构可靠性仿真方法研究现状,介绍了蒙特卡罗（Monte-Carlo,MC）法、极限状态方程重构法、随机有限元法（stochastic finite element method,SFEM）进行结构可靠性仿真计算的特点及发展现状,归纳了固体火箭发动机（solid rocket motor,SRM）结构可靠性的特点及当前进行仿真的方法;并在此基础上分析了目前结构可靠性仿真方法及对SRM 结构可靠性进行仿真分析计算时存在的不足及需要进一步研究的内容.     

爆破地震荷载作用下承插式HDPE管道动力失效机制

承插式管道接口更易受到外界荷载破坏导致管道失效,为保证爆破开挖过程中邻近承插式高密度聚乙烯（high-density polyethylene,HDPE）波纹管道的安全运营,控制爆破振动荷载对管道的影响是重点关注内容。通过全尺度预埋单段HDPE波纹管道现场试验,得到管道的振动速度和动应变响应数据,结合LS-DYNA数值模拟软件分别建立了无承插接口管道与含弹性密封圈的承插式HDPE波纹管道;利用现场试验数据验证了无承插口管道模型参数的可靠性,并对比分析了承插式管道的结构位移、振动速度、有效应力的响应规律与失效机制;结合现行规范,根据管道响应规律与接口允许旋转角度计算得到了承插式管道的安全振动速度。研究结果表明:有承插口管道的合振速、合位移和有效应力大于无承插口管道;在同一截面上,有承插口管道迎爆侧的合振速和有效应力更大,而最大合位移出现在截面的背爆侧;管道合位移与合振速在轴线中心处截面最大,并向两端不断减小,有承插口管道中心合位移更大;通过接口允许旋转角度得到此类工况条件下的承插式管道的安全振速为24.77 cm/s。     

Scattered-light photoelastic stress analysis of a solid-propellant rocket motor

Scattered-light photoelasticity, a nondestructive technique, is used to determine the stress distribution in a three-dimensional, solid-propellant rocket motor. The model is a case-bonded solid propellant with a stargrain internal boundary. Stresses are induced by internal pressure. The pressure load simulates part of the stresses developed in firing a rocket. The model material is polyurethane rubber which is similar to the binder material in actual rockets. The model construction and data analysis are discussed in detail, and the results are presented in graphical form.     

A coupled damage-plasticity model for the cyclic behavior of shear-loaded interfaces

The present work proposes a novel thermodynamically consistent model for the behavior of interfaces under shear (i.e. mode-II) cyclic loading conditions. The interface behavior is defined coupling damage and plasticity. The admissible states’ domain is formulated restricting the tangential interface stress to non-negative values, which makes the model suitable e.g. for interfaces with thin adherends. Linear softening is assumed so as to reproduce, under monotonic conditions, a bilinear mode-II interface law. Two damage variables govern respectively the loss of strength and of stiffness of the interface. The proposed model needs the evaluation of only four independent parameters, i.e. three defining the monotonic mode-II interface law, and one ruling the fatigue behavior. This limited number of parameters and their clear physical meaning facilitate experimental calibration. Model predictions are compared with experimental results on fiber reinforced polymer sheets externally bonded to concrete involving different load histories, and an excellent agreement is obtained.     

Interaction between a screw dislocation and viscoelastic interfaces

The analytical solutions for the interaction between dislocations and interfaces are of great importance to materials scientists as well as to mechanics researchers. The interfaces are treated as perfectly bonded in the most of the existing research works, where the traction and displacement vectors are continuous across the interfaces. However, in reality, there are discontinuities of displacements across the interfaces. In the present paper, the interaction between a screw dislocation and an imperfect interface is considered. The imperfect interface is modeled by linear spring and dashpot, i.e. linearly elastic and viscoelastic behaviors are introduced to model the imperfection of the interface. Particularly, we solved the boundary value problem analytically for Kelvin and Maxwell type of interface. In terms of geometrical configurations, we obtained the solutions for two joint half-spaces and a circular inclusion embedded in an infinite matrix. The analytical results show that the force acting on the dislocation depends on the mismatch of materials and the imperfection of the interface and evolves as time elapses.