复合材料单钉搭接单剪与双剪的挤压破坏试验研究

复合材料机械连接在航空结构中应用广泛,在受力过程中,挤压破坏为主要关注的破坏模式。对于复合材料单钉连接结构,单剪有面外弯曲存在,双剪可视为孔边纯挤压受力模式。采用试验的方法,研究了相同孔径、厚度及铺层的单钉单剪与单钉双剪的破坏模式、挤压变形及屈服和挤压强度,发现单剪形式的二次面外弯曲对强度及变形影响大,双剪结构大幅提高了复合材料机械连接结构的屈服强度和挤压强度。在不改变铺层比例的前提下,通过改变铺层数量,探讨了层合板厚度对单钉单剪受力及破坏的影响,发现层合板的厚度增厚对单钉单剪的屈服及挤压强度提高不显著。

材料力学实验课程建设与改革

以材料力学实验教学改革为中心 ,对力学实验课的内容更新、装置研制、实施方案、教学组织等进行了较深入地探索和实践 ,介绍了针对不同层次学生实验课的教学模式和经验做法。

层间增韧复合材料研究

研究了一种采用在复合材料层压板层间插入韧性薄膜的方法 ,改善复合材料层压板层间韧性和损伤容限的技术。有限元分析和层间断裂韧性试验结果表明 ,层间加胶层复合材料层压板的层间应力有明显下降 。

复合材料加筋板在剪切载荷下的屈曲特性研究

通过对复合材料薄壁加筋板结构进行剪切载荷下的屈曲试验研究,得到结构的屈曲模态、屈曲失稳载荷以及破坏形式,并通过有限元方法对结构的屈曲进行数值分析,分析得到的复合材料薄壁加筋板结构的屈曲模态和试验结果一致,屈曲载荷与试验结果吻合较好。试验还发现复合材料薄壁加筋板结构有较高的后屈曲承载能力,后屈曲过程中由于桁条脱胶会造成屈曲模态的变化。还分析了筋条的连续性对屈曲载荷的影响。

复合材料编织接头承载能力的试验研究

试验研究了用于航空结构的三维整体编织复合材料单耳承力接头在静载条件下的承载能力与破坏模式。单耳接头试样采用RTM(Resin Transfer Molding树脂传递模塑)工艺制成,重点研究了由3种编织工艺(三维四向、三维五向和三维六向)、2种连接孔加工方式(机械钻孔和编织孔)、2种几何外形所组成的10组三维编织复合材料单耳承力接头的破坏机理与破坏载荷。对其在航空结构中的可应用性做出了评估。

层间颗粒增韧复合材料层压板的损伤阻抗特性

采用热塑性颗粒对HT7/5228、HT3/NY9200G和HT3/5224三种高温固化环氧基体复合材料层压板进行层间增韧。为了提高冲击后压缩强度(CAI)和考察损伤阻抗, 测试了平均分层起始能量eⅡc以及接触力凹坑深度关系。试验结果表明, 增韧颗粒和基体树脂形成的层间区域能有效地吸收断裂能量并抑制分层的发生, eⅡc显著提高。在静压痕力下, 层间增韧复合材料层压板具有较深的凹坑深度和较小的损伤面积。层间增韧的几何效应、裂纹传播路径控制、颗粒桥联以及裂尖屏蔽是主要的增韧机理, 颗粒的塑性变形和最终失效也耗散了大量断裂能量。

韧性材料的几种断裂形式及判据讨论

考察几种韧性材料的复合型断裂试验过程 ,用传统强度理论思想认定启裂位置与启裂方向 ,通过对不同物理机制的断裂形式变化规律的研究 ,判定韧性材料的主要断裂形式有三类 ,以空穴成核、扩张、聚合为主导机制的正拉断 ,和以局部剪切带形成、发展为主导机制的两种不同类型的剪切断裂。局部大塑性变形的出现在材料内引起损伤 ,空穴的聚合或局部剪切带的出现仅发生在载荷达到某一临界值时。导致材料断裂发生的根本因素 ,是危险点上某应力参数达到了材料的断裂临界值 ,以此对不同断裂形式的断裂判据进行讨论 ,提出新的韧性断裂判据。

韧性材料复合型断裂启裂点与开裂方向的讨论

参照多种材料常规断裂结果的宏观分析 ,通过研究LY12材料在不同复合比载荷下的断裂试验结果 ,修正了一般断裂试验中认定裂纹启裂方向的方法 ,结合不同复合比下裂尖附近应力三维度场、主应力方向的计算分析 ,得到 :在裂端的钝化变形区域、应力三维度的极大值处 ,对应于裂纹的启裂位置 ,即使韧性材料Ⅱ型裂纹发生剪切断裂的情况下也是如此 ;裂纹的启裂方向在拉伸断裂时与启裂点最大拉应力方向有关 。

层间颗粒增韧HT3/QY8911的损伤阻抗和损伤容限

采用热塑性颗粒对双马基体复合材料层合板HT3/QY8911进行层间增韧,制备未加入增韧颗粒的对比件和加入增韧颗粒的改性件。通过准静态压痕(QSI)实验和冲击后压缩实验,研究了层间增韧后HT3/QY8911的损伤阻抗和损伤容限特性。结果和分析表明,改性件在静压痕力下具有较高的分层起始载荷,或在相同载荷水平下具有较小的损伤面积。提出从分层起始点载荷大小和载荷下降程度两方面来衡量试件对准静压痕力的响应。在相同的静压痕力或单位厚度冲击能量下,层间增韧后的HT3/QY8911具有较深的凹坑,表明塑性变形较大的层间区域以凹坑为代价换取了较小的损伤面积,具有较高的损伤阻抗。在冲击后压缩面积相差不大的情况下,层间增韧件的冲击后压缩强度和压缩破坏应变显著增加。

三维机织陶瓷基复合材料的面内剪切性能及损伤研究

采用IOSIPESCU纯剪切试件,考虑纤维的编织结构和失效机理,研究了三维机织碳／碳化硅(C／SiC)复合材料在面内剪切载荷作用下的力学性能和损伤过程．材料具有明显的非线性应力-应变行为和残余变形等特性．材料主要的损伤机制为基体微裂纹开裂,界面脱粘和纤维断裂,其中界面裂纹是材料应力-应变等力学行为的主要影响因素．基于连续介质损伤力学分析方法,提出了简单的损伤演化模型并对损伤演化过程进行了描述．

层间颗粒增韧复合材料层压板的Ⅱ型层间断裂韧性

采用热塑性颗粒对HT7/5228、HT3/NY9200G、HT3/5224和HT3/3234四种热固性树脂基体复合材料进行层间增韧,测试了未层间增韧对比件和层间增韧改性件的型层间断裂韧性G c。试验结果表明,增韧颗粒和基体树脂形成的Interlayer层有效的吸收了断裂能量并抑止了裂纹的失稳扩展,G c显著提高。层间增韧的几何效应、裂纹传播路径控制、裂尖屏蔽和颗粒桥联是主要的增韧机理。有限元分析结果表明Interlayer层降低了裂纹尖端J积分值和裂尖应力集中,进一步解释和支持了增韧机理。

含分层复合材料层合板剪切屈曲的实验研究

对含分层损伤的复合材料层合板在纯剪切条件下进行屈曲试验,并通过对试验载荷—应变曲线及损伤形貌的分析以及试验结果和有限元模拟结果的比较,得出复合材料层合板预制分层损伤面积对其剪切屈曲性能的影响。结果表明,试验件含分层损伤面积越大,其破坏载荷越大,而对应的破坏应变越大,因此分层损伤会降低复合材料层合板的承载力和刚度。含分层损伤的层合板试验件其屈曲临界载荷随着分层损伤面积的增加而减小,抗屈曲性能也随之降低。

含离散源损伤复合材料加筋板的压缩特性

通过对含有离散源损伤的复合材料加筋板的压缩实验和有限元模拟,研究了离散源损伤的损伤扩展与破坏特性以及对复合材料加筋板剩余强度的影响。结果表明,复合材料加筋板的离散源损伤用穿透蒙皮切断桁条的切口来模拟是合适的,蒙皮上的穿透切口前端有很高的应变集中,桁条被切断导致加筋板传力路线改变;离散源损伤使复合材料加筋板的压缩强度下降显著,达到60%左右;基于Hashin失效准则的渐进损伤有限元数值模拟方法,可以有效地模拟含切口加筋板的宏观损伤扩展和破坏过程,计算结果与实验值吻合较好。

30CrMnSiA材料疲劳损伤的激光检测及其细观机理

利用激光反射衍射谱面光强随疲劳损伤试样表面逐步粗糙化而变化的原理，用一种非接触、非破坏的间接疲劳损伤检测方法，对３０ＣｒＭｎＳｉＡ材料轴线平行于轧制方向（Ｌ）和垂直于轧制方向（Ｔ）两种不同试样进行拉——拉非对称循环疲劳损伤检测，证明谱面光强比Ｋ对疲劳损伤是敏感的；损伤变量Ｄ（Ｋ）和疲劳循环次数Ｎ的关系曲线大致可以分为疲劳损伤的减速、线性和加速损失区，从而对材料进行疲劳损伤检测并对其疲劳寿命进行估计；同时对扫描电镜图像分析得出衍射光强比变化所对应的疲劳损伤细观机理。

几种金属材料断裂条件的试验研究

考察了几种金属材料在常规破坏试验与拉-扭双轴破坏试验中,随受力条件不同,材料不同形式断裂破坏变化规律和相应的断裂条件;利用几种韧性材料复合型断裂试验结果,分析了随应力三维度变化,材料中孔洞成核形状与聚合方式的变化规律,分析了不同断裂形式时启裂点、启裂方向变化规律及主要影响因素。研究表明,从材料断裂物理机制来看,裂纹体与无裂纹体断裂破坏实质是相同的,随材料塑性因素与应力三维度变化的影响,材料内孔洞成核形状由椭球形逐渐变化为细长形,材料断裂由正拉断转向剪断,裂纹体与无裂体材料的断裂形式、断裂危险点、危险点上断裂方向等宏观量也有着相同的变化规律;区分不同物理机制建立断裂条件,可能适合解决金属材料不同形式的断裂力学问题。

三维多向编织复合材料承力接头破坏模态

通过单向拉伸试验研究了三维多向整体编织复合材料单耳承力接头的破坏模式。试样选用T700碳纤维和环氧树脂,采用RTM(resin transfer molding树脂传递模塑)工艺制成。试验针对由3种编织工艺(三维四向编织、三维五向编织和三维六向编织)、两种连接孔加工方式(机械钻孔和编织孔)、两种几何外形所组成的十组三维编织复合材料单耳承力接头的破坏机理与破坏载荷进行了初步探索研究,并对其在航空结构中的可应用性做出了评估。

分层缺陷对复合材料层压板疲劳性能的影响

对含有模拟制造分层缺陷的复合材料层压板的压—压疲劳试验表明，层压板有较好的压—压疲劳性能，其低于１０６循环的Ｓ—Ｎ曲线在单对数坐标下呈直线关系。低应力水平和寿命高于１０６循环的试件的剩余压缩强度的下降量低于１０％。超声波Ｃ扫描的结果显示，试件的损伤扩展一般是由边缘分层开始的。

一种镍基双晶材料疲劳裂纹扩展效应

对晶界平行裂纹和晶界垂直裂纹的双晶体进行三点弯曲疲劳实验,研究了双晶材料的疲劳裂纹扩展规律,测定了双晶的疲劳扩展速率,揭示了晶界对晶粒疲劳裂纹扩展的屏蔽效应:当裂纹距晶界某一特定长度时,裂纹扩展速率最快;而裂纹顶端交于晶界时,裂纹扩展速率最慢。进一步的晶体滑移有限元数值分析揭示了这种屏蔽效应的机理:晶界附近不协调的塑性变形,导致了裂纹尖端应力场的重新分布。

BHW60钢的临界空穴扩张状态与相关的断裂韧性

用扫瞄电镜在拉伸试样断口心部,测量了BHW60钢在20,-60,-100和-140℃下的临界空穴扩张比R_e/R_o,研究了它与宏观断裂韧性V_GC的关系以及热处理状态的影响结果表明:(1)同一温度下R_e/R_o的测量值大致遵循正态概率分布;(2)R_e/R_o随着温度降低直线减小; (3)R_e/R_o与V_GC的关系为V_GC=Cln(R_e/R_o),其中C≈3.5,与R—T空穴扩张模型符合得较好。

金属材料疲劳损伤的激光与超声检测

用激光衍射谱谱面光强比Ｋ和超声速Ｃ的变化定义损伤变量Ｄ（Ｋ）和Ｄ（Ｃ），对ＬＤＳ和４０ＣｒＮｉＭｏＡ材料进行了疲劳损伤检测．结果表明：Ｋ和Ｃ的变化对疲劳损伤是敏感的；根据Ｄ（Ｋ）或Ｄ（Ｃ）与循环次数Ｎ的关系曲线，可以确定材料疲劳损伤的程度并对其疲劳寿命进行估计．