高速雨滴冲击下飞行器蒙皮涂层损伤行为动态实验研究

为了进一步研究飞行器蒙皮涂层的雨蚀损伤行为、探索其损伤机理、建立涂层雨蚀损伤判据，基于一级轻气炮搭建的单射流冲击实验平台，针对以碳纤维T300编织材料为基体、表面涂有同等厚度的3种涂层试样，在不同冲击速度（360、430、490、555、617 m/s）和冲击角度（0°、15°、30°）下进行了材料雨蚀实验。结果表明，随着雨滴冲击速度的不断升高，试样遭受到的冲击力逐渐提高，导致其损伤面积和体积均呈增大趋势；试样典型损伤形貌均为由损伤区域包围中央未损伤区域的环状损伤组成，且随着损伤加剧形成圆形剥离损伤。单射流冲击涂层出现侵蚀损伤的阈值速度约为360 m/s；而随着冲击角度的逐渐增大，试样的损伤面积和体积均逐渐减小；与硬度、模量等力学参数相比，表面粗糙度对于涂层雨蚀损伤的影响更显著。     

空爆冲击波与破片群联合作用下聚脲涂覆陶瓷复合装甲结构毁伤特性

基于均质钢板、聚脲涂层材料、SiC陶瓷材料设计了4种聚脲涂覆复合装甲结构，采用装药驱动预制破片试验方法开展了近炸下复合装甲结构毁伤特性实验研究，提出了各组分的毁伤破坏模式，对比分析了4种防护装甲结构的防护性能，探讨了复合装甲结构的防护机理。结果表明:作用于目标结构的破片动能远大于冲击波能，聚脲涂覆复合装甲结构的防护效能明显优于多层均质钢装甲，增加陶瓷厚度较增加背板、前面板厚度对提高整体防护效能更有效，破片撞击将引起陶瓷块大面积损伤，严重影响了其对后续着靶破片的防护性能。     

冲击载荷下镁铝合金裂纹动态扩展过程的数值模拟

采用基于黏聚裂纹模型的扩展有限元方法，开展了镁铝合金结构冲击破坏过程的数值模拟研究。通过镁铝合金三点弯曲试样冲击实验，获得了不同子弹撞击速度下试样的冲击破坏模式。在此基础上，建立了实验结构的扩展有限元模型，并采用最大主应力准则，以及含损伤型的本构关系模拟材料的冲击断裂行为。对于裂纹尖端附近区域，采用黏聚裂纹模型模拟裂纹的断裂过程。对子弹速度分别为12.2、15.1、26.3 m/s的3种工况下镁铝合金试样的动态破坏过程进行了数值模拟研究，获得了与实验相一致的断裂模式。计算结果表明，试样以Ⅰ型断裂模式为主，裂纹沿初始预制裂纹方向扩展。当裂纹扩展到一定程度后，在试样韧带区域被撞击端附近，由于应力波及边界效应导致该区域处于复杂应力状态，试样出现复合型断裂模式，裂纹偏离原扩展路径，与本文实验结果相吻合。     

静应力作用下的层合板接头损伤失效分析

基于单层板理论，结合有限元分析技术即应力分析、Hashin三维失效判定准则、包含 4种基本损伤类型相互关联作用的材料性能退化方法及结构最终破坏判据等，建立了含辅助 铺层层合板接头静载损伤失效分析方法. 同时，对层合板接头损伤扩展进行了模拟分析，损 伤计算结果与试验分级加载试样X光进行了对比. 通过多种类型层合板接头静强度预测结果 与试验结果对比及静载累积损伤规律分析表明，建立的静载三维累积损伤分析的强度预 测方法可方便模拟不同结构尺寸层合板接头内部各铺层损伤起始、发展及结构最终破坏整个 累积过程，同时获得其最终破坏强度及破坏模式. 该方法的预测结果与试验结果吻合较好.     

2D C/SiC复合材料细观损伤机制及氧化对其影响的研究

为了观察分析C/SiC陶瓷基复合材料的细观损伤机制,利用划片切割机去除表面涂层,采用扫描电镜和配套的原位加载装置探究其细观损伤机理,以此结合宏观现象对其作出解释。本文以四点弯实验为基础,利用搭建的高温加热系统在不同高温环境下氧化材料。随着氧化的发生,得到C/SiC陶瓷基复合材料细观形貌以及破坏机制的变化规律。随着氧化程度的加强,发现材料基体以及纤维出现不同程度的烧蚀,界面层遭到破坏,弯曲强度逐渐降低。同时纤维的拔出、裂纹的萌生以及扩展方式发生了改变,从而导致不同破坏断口的出现。     

两种激光熔覆涂层对轮轨材料磨损与损伤性能的影响

选用钴基合金粉末和铁基合金粉末，利用CO₂多模激光器对轮轨材料进行激光熔覆处理. 分析了钴基合金涂层和铁基合金涂层的微观组织、成分、硬度与应力状态. 未处理试样表面残余应力为拉应力，激光熔覆处理后，涂层表面残余应力为压应力. 利用MJP-30A滚动接触疲劳试验机对激光熔覆处理前后轮轨试样进行滚动摩擦磨损试验. 结果表明:激光熔覆处理后轮轨试样磨损率明显降低，其中激光熔覆钴基合金后，轮轨试样磨损率分别降低96.7%和98.9%，激光熔覆铁基合金后，轮轨试样磨损率分别降低81.7%和93.5%. 未处理轮轨试样表面损伤为疲劳损伤；钴基合金涂层表面损伤最轻微，磨痕表面光滑，出现轻微的小块剥落；铁基合金涂层表面出现细小裂纹和犁沟.      

不同应变率下蓝宝石透明陶瓷玻璃的力学响应

蓝宝石（A1₂O₃）是透明陶瓷玻璃,它相较传统陶瓷（A1₂O₃）有优良的透光性,而且保留了陶瓷优良的力学性能。利用电子拉伸机和分离式霍普金森杆设备对试样进行准静态应变率为(10?4、10?3、10?2 s?1)和4种动态应变率(850、1 100、1 300、1 450 s?1)下的单轴压缩力学行为,用高速摄像机记录了蓝宝石透明陶瓷玻璃试样在准静态和动态压缩下的破坏过程。实验结果表明:从加载过程中的应力应变曲线是由加载段和失效段组成的,该材料是典型的脆性材料,并且有明显的应变率效应,随着应变率的提高,蓝宝石透明陶瓷玻璃的抗压强度也会提高;准静态和动态压缩下蓝宝石透明陶瓷玻璃都是在宏观裂纹扩展作用下失效破坏。通过分析不同应变率下蓝宝石透明陶瓷玻璃的破坏过程,分析得到该材料的失效是在加载的过程中,在蓝宝石透明陶瓷玻璃承载能力最低的区域出现裂纹源,然后裂纹成形并沿着加载方向扩展,然后裂纹之间相互交错,最终达到饱和状态破坏失效;在高应变率下,极短的时间内产生多处裂纹源,需要更大的能量去使裂纹成形、扩展,宏观上就表现为应变率效应。     

含局部焊接细节的钢桁架结构静动力响应实验研究

从考虑损伤的结构有限元模拟的研究需要出发，对考虑焊连接细节构造的钢桁架结构试样进行了结构动力特性及特定载荷下的静力响应实验研究。文中给出了对试样结构进行动力特性测试和结构整体与局部应力分布状态的测试结果及其分析，并将有限元计算的结果与测试结果进行了对比分析。研究结果表明：结构动力特性的计算结果和测试值比较接近，存在的误差主要来自于边界条件的不确定性和可能的材料不均匀性；边界约束的形式对结构名义应力的分布有明显的影响，但对于焊接细节处的热点应力分布的影响很小。实验中所关注部位的热点应力在均布载荷作用下随载荷级别的提高，应力值由下翼缘的中间向两边增大，在焊缝附近有应力突变。     

改进SPH方法在陶瓷材料层裂数值模拟中的应用

为了探讨铝飞片撞击陶瓷材料时的层裂现象，采用改进SPH方法模拟应力波在陶瓷材料中的传播。结果表明，当离散粒子分布不均匀时，数值模拟计算的自由面速度时程曲线与实测曲线吻合良好。对比CSPM方法，改进SPH方法的精度更高。提出适用于数值模拟的陶瓷材料损伤演化方程，对脉冲载荷下陶瓷/钢层合板层裂的破坏过程进行数值模拟，结果表明，由于陶瓷的波阻抗高于钢的，且抗压强度远高于抗拉强度，因此拉应力引起的层裂破坏是主要的。即使在材料内部传播的只是弹性压缩波，当弹性波到达材料界面时，由界面反射引起的卸载波也能导致陶瓷发生层裂破坏。     

透明陶瓷夹层结构冲击响应及BP神经网络预测

首先，选择以蓝宝石陶瓷为迎弹层、二氧化硅无机玻璃和聚碳酸酯有机玻璃为吸能层和聚氨酯为胶结材料的透明夹层结构为研究对象，采用一级轻气炮对试样进行了冲击实验，试样呈现陶瓷层弯曲失效破坏主导和冲击压缩破坏主导的2种破坏模式，通过高速摄像详细记录裂纹动态扩展过程。然后，采用Abaqus有限元软件对多组结构层厚度配比的透明夹层结构进行120、150、180 m/s速度的弹体冲击模拟，针对陶瓷材料引入了基于JH-2本构模型的子程序，并结合单元删除法，对裂纹扩展和碎片飞溅过程进行了数值模拟。模拟结果与实验结果吻合较好。最后，采用BP神经网络算法对冲击点后侧位移峰值进行了预测，单层和多层神经网络模型平均计算耗时分别为1和3 min，与位移峰值的数值模拟结果相比，2种神经网络模型预测结果的平均相对误差分别为7.6%和3.2%。该BP神经网络模型计算时效和精度都满足要求，相比传统消耗5 h的有限元计算，节省大量时间，可对透明夹层结构的设计提供指导。     

薄膜涂层材料界面纯剪破坏标准试验法的开发

界面强度是薄膜涂层材料的最重要的性能指标之一，目前尚缺乏有效的测量方法。测量界面强度的主要困难在于寻求一种便于试验的试件形状和加载方式，使得界面上能够产生不同的应力状态，即在不同的剥离应力和剪应力比的状态下发生破坏。本文采用有限元数值分析（ABAQUS），研究了几种具有简单几何形状的试件的界面应力，并基于大量的数值试验，设计了剪应力为破坏支配因素的试件形状和加载方式，并且给出了便于应用的最大界面剪应力的经验估算公式。该经验公式可以适用于各种材料组合和薄膜涂层的厚度。研究结果表明，通过对薄膜涂层材料试件的基体引入缺口以产生应力集中，进行普通的四点弯曲试验，可以进行剪应力占支配地位的界面破坏试验。利用本文提出的试件形状和相应的最大界面剪应力经验公式，可以通过破坏试验简单地得到界面的剪切强度。     

A Numerical Approach for Arbitrary Cracks in a Fluid-Saturated Medium

A finite element method is proposed that can capture arbitrary discontinuities in a two-phase medium. The discontinuity is described in an exact manner by exploiting the partition-of-unity property of finite element shape functions. The fluid flow away from the discontinuity is modelled in a standard fashion using Darcy’s relation, while at the discontinuity a discrete analogon of Darcy’s relation is proposed. The results of this finite element model are independent of the original discretisation, as is demonstrated by an example of shear banding in a biaxial, plane-strain specimen.     

Geometric functions of stress intensity factor solutions for spot welds in U-shape specimens

In this paper, the stress intensity factor solutions for spot welds in U-shape specimens are investigated by finite element analyses. Three-dimensional finite element models are developed for U-shape specimens to obtain accurate stress intensity factor solutions. In contrast to the existing investigations of the stress intensity factor solutions based on the finite element analyses, various ratios of the sheet thickness, half specimen width, half specimen length, and corner radius to the nugget radius are considered in this investigation. The computational results confirm the functional dependence on the nugget radius and sheet thickness of Zhang’s analytical solutions. The computational results provide a geometric function in terms of the normalized half specimen width, normalized half specimen length, and normalized corner radius to Zhang’s analytical solutions. The computational results also provide a geometric function in terms of the aspect ratio of the specimen to complete Lin and Pan’s analytical solution. Finally, based on the analytical and computational results, the dimensions of U-shape specimens are suggested.     

基于ANN-GA协同寻优的动态拉伸试样尺寸优化方法

材料动态拉伸力学性能测试中,动态拉伸试样的几何尺寸对测试结果的准确性与有效性有着较大影响。为对动态拉伸试样的结构进行优化设计,以使其在动态拉伸过程中更好地满足一维应力与变形均匀等基本假设。首先,建立了量化的试样测量准确度指标,即应力平衡达到时间、变形均匀度、非轴向应力相对水平、过渡段相对变形。然后,对试样结构参数进行正交试验设计,通过数值模拟的方法得到了关于试样尺寸与测量准确度指标的正交试验数据库,并对正交试验数据库进行多目标正交试验矩阵分析,得到了试样结构参数对各测量准确度指标影响的主次顺序和规律。最后,以正交试验数据库为训练集,采用人工神经网络（artificial neural network, ANN）协同遗传算法（genetic algorithm, GA）的全局寻优方法对试样的结构尺寸进行优化设计,得到了试样的最优结构尺寸,并对最优尺寸的有效性进行了验证。结果表明,优化后的试样结构在材料动态拉伸力学性能测试精度上的表现明显得以提升。因此,采用ANN-GA协同优化的方法对动态拉伸试样的结构进行优化具有可行性和有效性。     

云纹干涉法研究复合材料构件的应力强度因子

本文采用贴片云纹干涉法，测试并研究了正交异性板纯弯试件及拉伸试件的应力强度因子。文中给出了复合材料纤维加强方向不同时位移与应力强度因子的关系式，通过测试得出受力模型的全场位移，给出云纹图，进而由裂纹尖端位移场推算出应力强度因子Ｋ１及Ｋ值。试验结果与有限元计算结果吻合良好。     

扭转塑性变形对6063铝合金拉伸力学性能的影响机理研究

扭转是一种常用的冷作硬化方法。本文通过实心圆轴扭转实验和预扭试件的单向拉伸实验,研究了扭转塑性变形程度对6063铝合金拉伸力学性能的影响。通过理论研究和硬度分析探究了造成这一影响的内在机理。结果表明,试件扭转后其内部形成的以屈服强度为特征参数的梯度结构,是造成预扭试件力学性能得到改善的根本原因。并且,扭转不同的角度,材料内部产生的梯度结构也是不同的。而不同的梯度结构对试件力学性能的影响则表现为后继拉伸屈服强度随预扭角度的增大而增大。为了预测预扭试件的后继拉伸力学行为,验证前述结论的正确性,建立了由内到外屈服强度逐渐变化的有限元模型。此模型代表了预扭转变形试件,对其施加位移载荷,模拟后继单向拉伸加载过程。模拟所得材料力学性能随扭转角的变化趋势与实验结果基本吻合,从而验证了扭转冷作硬化后,圆轴试件内部产生了以屈服强度为特征参数的梯度结构这一结论。同时,也提供了一种有效的预测材料扭转后拉伸力学性能的数值模拟方法。     

瓷修复体界面断裂行为的模拟实验研究

本文利用云纹干涉法和云纹干涉－－有限元混合法，对瓷修复体的模拟双材料模型界面断裂问题进行了实验研究。用云纹干涉和数字错位云纹干涉法测量带边裂纹的双材料四点简支梁在剪切作用下界面表面的剪应变分布及界面两侧局部表面的位移场，实验表明，由于界面两两侧材料力学性质不同，表现出界面剪切断裂问题的非称性和裂尖附近复合型断裂的特点；用云纹干涉法和有限元法相结合的混合法对粘接界面角点应力奇异性进行研究，并对角点附近应力应变场作了分析，得到了应力奇异指数与边界楔角，载荷的关系，证明了用界面应力强度因子Kf来描述界面端部区域应力分布的公式，并得到了双材料界面端部区域的应力应变分布情况。本文的实验结果为进一步研究口腔金瓷修复体界面的优化设计提供了基础，同时也说明云纹干涉法对于双材料界面断裂行为的研究是有效的。     

Evolution of plastic damage in welded joint of steel truss with pre-existing defects

Experimental analyses are made for the local damage evolution of structural response for a steel truss structure with pre-existing defects in welded joints. Employing a scaled down specimen of the steel truss present in decks of long-span bridges, the photoelastic coating method is adopted to obtain data information on local hot-spot strains near the welded joints while strain and displacement gauges are employed for collecting information on the response of the global structure. Initially, a finite element model of the steel truss is established for the purpose of pre-experimental evaluation. Defects such as holes and a crack are pre-existing near the welded joints. The local plastic damage evolution is captured by photoelastic images and evaluated in relation to the global structural mechanical performance. Local defects tend to affect the weldment details and structural rigidity more appreciably than changes in the structural nominal strains.     

A rigorous homogenization method for the determination of the overall ultimate strength of periodic discrete media and an application to general hexagonal lattices of beams

A rigorous method for the homogenization of general elastoplastic periodic lattices is presented. A discrete unit cell problem with finite number of degrees of freedom is solved for the determination of the overall elastic stiffness and ultimate strength of the lattice. Both static and kinematic methods are developed. It is shown that the overall yield strength domain of a large specimen, subjected to the so-called kinematically uniform boundary conditions, is asymptotically equal to the homogenized yield strength domain, as the size of the specimen goes to infinity. The method is applied to metallic honeycomb materials with arbitrary non-uniform cell wall thickness. New results concerning non-symmetric material distribution in the cell edges of the honeycomb are obtained. The model shows that the effects of this type of defect on the overall properties are less important than the already known effects of symmetric non-uniform cell wall thickness. Good agreement is observed between the proposed analytical beam model predictions and the finite element computations.     

PZT-4紧凑拉伸试样的断裂分析

基于线性压电材料的复势理论，通过解析分析，导出了一种分析有限压电板裂纹问题的 解析数值方法. 首先，计算了含中心裂纹有限板的断裂参数，与Woo和Wang的解析数值 法(Int J Fract, 1993, 62: 203$\sim$218)相比较，表明该方法具有很高的精度和 很好的计算效率. 随后，采用该方法和有限元 法计算了PZT-4紧凑拉伸试样在绝缘裂纹面边界条件下断裂时的断裂参数，发现各断裂参数 的临界值分散性很大，不能作为压电材料的单参数断裂准则. 进而，针对试样真实的裂隙形 状，采用有限元法计算了裂隙尖端的应力、电位移场，比较了裂隙内介质的介电性能对裂隙 尖端场的影响，计算了带微裂纹的真实裂隙模型的断裂参数并进行了理论分析.