应变隔离垫面外拉伸力学性能研究

应变隔离垫是重复使用飞行器刚性防热瓦热防护结构的重要组成部分,通过硅胶与冷结构和防热瓦进行粘接,应变隔离垫面外力学性能以及其与冷结构之间的粘接性能直接影响着飞行器使用安全,也是评估热防护系统可重复使用性能的基础性能参数。本文设计了应变隔离垫试验件,通过静载力学试验,获得了SIP在常温环境下(25℃)下拉伸应力-应变曲线及失效模式,应力-应变曲线表现出明显的大变形、非线性特征。建立了应变隔离垫的超弹性本构模型,结合有限元数值方法对SIP常温拉伸力学行为进行仿真分析,模拟结果和试验吻合较好。开展了100℃、120℃以及150℃高温环境下SIP面外拉伸试验,结果表明SIP的拉伸刚度和强度具有温度敏感性,与粘结工艺密切相关,拉伸强度较室温条件下分别下降了50.7%、70%、77%。上述研究成果能够为飞行器热防护系统的服役性能评估和工艺优化提供技术支撑。

典型隔热瓦元件剪切性能及重复加载行为试验研究

为了评估典型隔热瓦元件受剪切载荷时的重复使用性能,明确典型元件剪切力学性能及重复加卸载变形特征,本文开展了应变隔离垫(SIP)和SIP-隔热瓦-SIP元件的剪切力学性能试验研究,得到了两类试验件的载荷-位移曲线、峰值载荷、失效模式及不同峰值载荷下试验件的剪切加卸载行为,对两类试验件在准静态单剪载荷下的失效模式及其形成机制进行了定性分析和比较。利用数字图像相关技术(DIC)分析了SIP-隔热瓦-SIP元件的变形特征和剪切失效过程。结果表明:试验中由于剪切载荷不共线,导致试验件自由边界处存在附加弯矩,试验件为界面拉-剪组合失效。随着试样厚度增加,附加弯矩不断增大,使得隔热瓦元件的峰值载荷水平低于SIP试验件。由于SIP具有变形协调能力,剪切载荷作用下隔热瓦主要发生刚体位移,应变和应力水平低。两类试验件的剪切加卸载曲线均存在显著的迟滞效应。迟滞回线的面积和割线刚度随加卸载循环次数的变化不明显,但迟滞回线的面积随着峰值载荷的增大而增大。上述试验结果可为后续克服附加弯矩,完善双剪试验方案和建立SIP及隔热瓦元件剪切力学性能测试规范提供指导,为刚性隔热瓦热防护系统失效行为分析和结构设计优化提供参考。

复杂面内应力状态下平面编织高铝纤维增强氧化铝基复合材料强度及疲劳寿命预测方法

针对平面编织氧化铝基复合材料提出了一种复杂面内应力状态下的强度准则和疲劳寿命预测方法。通过拉伸、压缩及纯剪切试验,分别获得了材料的静强度指标。考虑材料拉、压性能的差异和面内拉-剪联合作用对材料强度的影响机制,提出了修正的Hoffman强度理论。采用该强度理论预测得到的偏轴拉伸强度与试验结果基本一致,偏差不超过10%。开展了偏轴角θ=0°、15°、30°、45°,应力比R=0.1,频率f=10 Hz的拉伸疲劳试验,试验结果表明随着偏轴角的增加,相同轴向拉伸载荷下的疲劳寿命逐渐降低。由于面内剪切应力分量的作用,疲劳失效由纤维主导逐渐过渡到纤维和基体共同主导的模式。基于单轴疲劳寿命曲线,采用Broutman-Sahu剩余强度模型表征剩余强度随疲劳循环次数的变化规律,结合剩余强度演化模型和修正的Hoffman强度理论,提出了一种面内复杂载荷条件下的疲劳寿命预测模型,并引入疲劳剪切损伤影响因子表征拉-剪应力联合作用对材料疲劳行为的影响。采用本文提出的疲劳寿命预测模型,预测不同偏轴角拉伸疲劳寿命,预测结果与试验结果基本一致,偏差在1倍寿命范围内。比较结果表明在给定应力比、温度和疲劳载荷频率条件下,该疲劳寿命预测模型可以用来预测平面编织氧化铝基复合材料拉-剪复杂面内载荷条件下疲劳寿命。