固体推进剂拉剪复合加载夹具设计及试验验证

为了研究固体推进剂在拉剪复合加载下的力学性能,设计了基于单轴拉伸试验机的拉剪复合加载夹具和试件。此夹具基于Arcan夹具进行改进,采用模块化设计,可兼容不同拉伸试验机,适用于多种加载角度加载;拉剪试件无需开孔,可直接夹持。根据所设计的夹具和试件,开展了单轴拉伸、纯剪切和拉剪试验研究,并将试验结果与有限元仿真结果进行了对比。研究表明,在不同加载条件下试件的极限载荷存在明显的差别,单轴拉伸试件的极限载荷最大,45°拉剪试件的极限载荷次之,纯剪切试件的极限载荷最小;试件的起裂方向也存在不同,单轴拉伸试件的起裂方向与试件轴线方向垂直,纯剪切试件和拉剪试件的起裂方向分别与试件轴线方向成45°和24.5°。所设计的夹具能有效完成不同加载角下的拉剪试验,试验结果与仿真分析结果吻合良好。

平纹编织C/SiC复合材料的失效判据

通过Arcan夹具拉伸实验,研究了平纹编织C/SiC复合材料的唯象强度特性,根据实验结果提出了一种椭圆形失效判据,可以反映拉压强度的差异,以及压缩和剪切同时作用时裂纹面闭合引起最大容许剪应力的回升。结果表明:椭圆形判据和实验结果在第一象限吻合良好,说明椭圆判据在第一象限内对平纹编织C/SiC是适用的。用线弹性有限元方法分析了Arcan拉伸实验中试样的应力状态和分布,并讨论了夹具刚度的影响。分析表明:试样缺口区域剪切应力分布均匀,大小接近平均剪应力;正应力在边缘有应力集中,中央应力约为平均正应力的77%。由于纤维增强陶瓷基复合材料存在微弱缺口敏感性,Arcan圆盘测出的强度略低于均匀拉伸结果。采用系数对测出的强度进行了修正。

平纹编织C/SiC材料复杂应力状态的力学行为试验研究

利用Arcan夹具,实现对2D平纹编织C/SiC复合材料拉剪、压剪加载试验,研究材料在复杂应力状态下的力学行为,分析材料的损伤演化和失效模式。试验结果表明,材料在拉剪复杂应力状态下不同角度的应力—应变曲线呈现非线性关系;在压剪复杂应力下,随着加载角度增大,应力—应变曲线非线性程度增大。断口分析表明纯剪切形成平齐断口,受拉应力影响材料在拉剪复杂应力状态下形成斜断口。试验分析表明,适当的压应力能提高抗剪切破坏能力。偏移型椭圆失效判据与试验值吻合较好,该失效判据能较好地描述材料在复杂应力状态下的破坏行为,能较好反映材料的强度特征。

固体推进剂的变角剪切力学试验研究

利用改进的Arcan夹具对HTPB固体推进剂在0°～90°之间的10个角度进行了剪切试验，研究了固体推进剂在不同剪切角度下的应力应变关系。结果表明，随着加载角度的减小，拉伸作用逐渐被剪切作用取代，导致拉断应力、拉伸曲线斜率、断裂应变的减小；当拉伸角度为0°时，蝶形试件完全承受剪切作用，推进剂的剪切模量可通过对此时的数据进行相应转化得出。

组合载荷下含缺口纤维增强树脂基复合材料的失效分析

为研究含缺口纤维增强复合材料层合板在复杂载荷下的破坏,本文采用改进的Arcan夹具,在30°方向对含缺口碳纤维增强树脂基复合材料层合板([-45/90/45/0]s)进行了拉伸-剪切组合加载实验。用数字图像相关方法(DICM)测量了层合板表面层的裂纹发展过程,在缺口尖端观察到了明显的劈裂现象。然后用有限元软件ABAQUS建立了三维层合板模型,为准确模拟裂纹尖端的应力场,模型中每层引入内聚力接触来模拟劈裂。为了比较加载端的转动自由度对层合板失效模式和破坏强度的影响,文中分析了两种不同的边界条件,即约束和放松加载端的转动自由度。研究结果发现,加载端的合力方向主导了层合板的失效模式和破坏强度,放松加载端自由度的模拟结果与实验结果有很好的一致性。