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关键词： Kevlar纤维   水泥基复合材料   力学性能   弯曲性能   抗冲击性能  

摘要： 现代建筑对土木工程材料的性能要求越来越高,而传统水泥基材料存在韧性差、脆性大、抗拉强度低等先天缺陷。因此,提高水泥基材料的柔韧性与弯曲变形能力,对于现代建筑结构的发展具有重要意义。纤维增强水泥基复合材料是制备高强高韧性水泥基材料的主要途径之一。芳纶纤维作为一种新型高强、高模、高韧性的纤维增强材料,近几年广泛应用于建筑结构的加固补强领域,而直接将芳纶纤维掺入水泥基体中以增强水泥基复合材料性能的研究相对较少。本文选用一种最具代表性的芳纶纤维——Kevlar纤维作为水泥基复合材料的增强材料,将Kevlar纤维直接掺入到水泥基体中制备Kevlar纤维增强水泥基复合材料(Kevlar fibers reinforced cementitious composites,as referred KFRCC),旨在研究Kevlar纤维对水泥基复合材料的力学性能影响。试验选取1mm、3mm、6mm、12mm、120mm五种不同长度的Kevlar纤维,在不同的Kevlar纤维长度下,根据水泥基复合材料成型时的工作性,确定Kevlar纤维的体积掺量,设计1%、2%、4%、6%、8%五种不同的纤维体积掺加比例,通过KFRCC胶砂试件折压试验、薄板弯曲试验、圆饼冲击试验,研究Kevlar纤维的长度与掺量对水泥基复合材料抗折性能、抗压性能、弯曲性能及抗冲击性能的影响。试验结果表明:对于KFRCC的折压性能,Kevlar纤维的加入可以有效改善KFRCC胶砂试件基体内部的应力集中分布,使KFRCC胶砂试件的折压性能得到明显提升,但随着Kevlar纤维掺量的不断增大,各纤维长度下KFRCC胶砂试件的折压性能在达到峰值后开始出现削弱。Kevlar纤维长度为1mm、3mm、6mm、12mm、120mm时,KFRCC胶砂试件的抗折性能分别在纤维体积掺量为6%、2%、2%、2%、1%时取得最优,且较基准组分别增长56.69%、89.33%、104.72%、118.99%、320.91%;Kevlar纤维长度为1mm、3mm、6mm、12mm时,KFRCC胶砂试件的抗压性能分别在纤维体积掺量为6%、4%、2%、2%时取得最优,且较基准组分别增长19.05%、21.20%、20.80%、18.67%;而120mm Kevlar纤维长度的KFRCC胶砂试件的抗压性能反而低于基准组,其在纤维1%、2%掺量时分别较基准组削弱5.87%与27.37%。对于KFRCC的弯曲性能,基准无纤维组的开裂荷载即为破坏荷载,初裂挠度即为最大挠度,而Kevlar纤维的掺入,KFRCC的荷载与挠度均出现不同程度的增长。Kevlar纤维长度为1mm、3mm、6mm、12mm时,KFRCC薄板的极限弯曲强度值与最大挠度值均在纤维体积掺量为4%时取得最值,最值分别为5.94Mpa/1.48mm、6.67Mpa/2.87mm、6.89Mpa/6.98mm、9.91Mpa/8.04mm;Kevlar纤维长度为120mm时,KFRCC薄板弯曲的荷载-挠度曲线呈现“锯齿状”上升现象,且在纤维体积掺量为2%时极限弯曲强度值与最大挠度值取得最值,最值分别为17.23Mpa/11.48mm;Kevlar纤维的长度越长,薄板弯曲时,纤维总体利用效率越高,KFRCC的弯曲韧性表现越好,120mm Kevlar纤维长度的KFRCC弯曲韧性明显优于其它各纤维长度组,且其在1%掺量时的韧性增强最为显著。对于KFRCC的抗冲击性能,基准无纤维组圆饼试件在受冲试验时,基本表现为“一冲即破”,破坏形态大致为“一字形”,呈现明显脆性破坏,而Kevlar纤维组圆饼试件的破坏形态主要呈现“三叉星形”与“T字形”,且12mm、120mm纤维长度的KFRCC圆饼试件在受冲破坏后,其各部分仍由纤维联结,试件仍可保持为一个整体;Kevlar纤维长度一定时,KFRCC的抗冲击性能与Kevlar纤维的体积掺量呈正相关关系,Kevlar纤维掺量一定时,KFRCC的抗冲击性能随长度的增长出现先削弱后增强的趋势,拐点大致发生在纤维长度为6mm处,即在纤维长度为1mm、3mm、6mm时,KFRCC的抗冲击性能与Kevlar纤维长度呈负相关关系,在纤维长度为6mm、12mm、120mm时,KFRCC的抗冲击性能与Kevlar纤维长度呈正相关关系。

关键词： 覆盖层地基   不良砂砾石   大三轴试验   颗粒破碎   本构模型  

摘要： 西南地区高度落差大,具有丰富水资源,且有大量砂砾石材料,适合建设高坝大库,而混凝土面板堆石坝由于具有施工快、坝体变形小、防渗性好等优点成为高坝首要考虑的坝型。然而,西南地区地质条件复杂,河床中有深厚覆盖层,覆盖层会使坝基产生不均匀沉降,坝体产生不协调变形,对坝体变形、渗透、稳定产生较大危害,覆盖层成为坝工建设中不可避免的问题。覆盖层地基砂砾石材料中存在土粒均匀、不良级配和表层淤泥的问题,进一步研究不良砂砾石材料的力学特性对现代坝工建设有实际意义。本文主要研究内容如下: (1)从统计、案例、数值模拟的角度研究覆盖层地基上混凝土面板堆石坝,分析了覆盖层地基上混凝土面板堆石坝的建设现状和变形特点,结果表明覆盖层会使混凝土面板堆石坝变形量增大,变形范围下移。对我国覆盖层砂砾石材料力学特性参数、材料特点进行统计与分析,确定了干密度是砂砾石材料重要的力学参数,覆盖层地基中存在粉细砂层、不均匀级配、表层淤泥的问题。 (2)基于某混凝土面板堆石坝地基砂砾石级配,通过开展大型三轴剪切试验研究了细粒含量、不良级配、淤泥含量对砂砾石材料变形影响,揭示了细粒含量、不良级配、淤泥含量对砂砾石材料应力-应变、体变-应变的影响规律。结果表明,低围压下细粒含量越高材料变形特性越好,高围压下细粒含量对材料变形影响不大,不良级配材料变形特性不好,峰值强度低且出现时间晚,低围压下低淤泥含量表现强度减弱而高淤泥含量表现强度加强,高围压下各淤泥含量均表现强度减弱;细粒含量越高则剪胀性越强,围压越高则剪胀性越弱,不良级配和淤泥使材料剪胀性减弱。此外,对割线模量和破坏时泊松比进行了深入分析。 (3)基于试验定性、定量分析了细粒含量、不良级配对砂砾石材料颗粒破碎的影响。颗粒破碎现象表明,围压对材料颗粒破碎影响最大,低围压下大颗粒发生破碎,小颗粒基本不发生破碎,高围压下大小颗粒都发生破碎,且破碎成小颗粒。试验前、后级配曲线表明,细粒含量组中40-20mm粒径更易发生破碎,不良级配组中60-20mm 更易发生破碎。颗粒破碎率和相对破碎参量的分析表明,细粒含量越多,围压对Bg和Br影响越小,围压对不良级配材料Bg和Br影响明显大于良好级配材料。 (4)基于试验数据,分析了不良砂砾石材料对邓肯-张E-B模型和南水双曲线模型的适用性。结果表明,不良砂砾石材料的参数不符合邓肯-张E-B模型参数经验范围,算例分析结果与试验规律不符合,表现出不适用性;不良砂砾石材料对南水双曲线模型整体适用性较好,但是对于仅是粗粒和淤泥含量为6%的材料表现不适用性。此次分析表明淤泥与级配对材料变形特性影响同样重要。

关键词： Z向增强   夹芯复合材料   力学性能   数值分析  

摘要： 泡沫夹芯复合结构具有高比强度、高重量比、可设计性强、隔热、隔音、防水等诸多优点,更受风电叶片、方舱、整流罩、飞机机翼等复合材料结构市场的青睐。然而,传统夹芯复合材料存在面板与芯材界面结合性能差、芯材强度低等问题,严重限制了复合材料夹芯结构在主承力结构上的应用。为了解决这一问题,本文在传统泡沫夹芯复合材料的基础上对面/芯界面性能和Z向纤维增强泡沫芯材复合材料展开研究,设计并制备了一种在Z向上以±45°增强泡沫夹芯复合材料,并结合Abaqus有限元软件进行数值模拟。首先,本文在传统泡沫夹芯复合材料的基础上,采用穿刺工艺将纤维束以±45°的方式将玻璃纤维材料贯穿在泡沫结构内部,纤维束在泡沫内部形成三维网络结构。增强纤维的引入将夹芯结构上、下面板连接成一个整体,有效提高结构面/芯粘接和承载能力。此外,还能改善Z-Pin增强结构在边缘轮廓增强的局限性以及兼顾制备工艺简单,操作方便等优势。其次,对Z向增强夹芯复合材料进行预成型体的制备,并对预成型体的结构参数进行设计,采用真空灌注(VARI)成型工艺制备Z向增强泡沫夹芯复合材料,参照ASTM标准分别进行弯曲、平面内压缩和边缘压缩测试。最后,对Z向增强泡沫夹芯复合材料分别在三点弯曲、平面内压缩和边缘压缩载荷下的响应展开研究,分析夹芯复合材料中Z向增强纤维和泡沫厚度参数对夹芯复合材料力学性能的影响。在试验结果的基础上,利用Abaqus有限元软件分别对Z向增强夹芯复合材料的三点弯曲、平面内压缩和边缘压缩建立了等效模型,引入增强纤维和泡沫材料的本构曲线,利用Abaqus/Standard隐式求解器对夹芯复合材料的等效模型进行求解计算。研究结果表明:同等条件下,随着增强纤维间距的减小,Z向增强泡沫夹芯复合材料的弯曲载荷和弯曲刚度逐渐提高,其弯曲载荷值最大可提高4倍。增强纤维能增强夹芯复合材料的压缩性能,且随着增强纤维间距减小而增大。其中,平面内压缩强度最高增强167%。但在制备预成型体时穿刺对泡沫和玻璃纤维束造成的损伤会影响结构整体性能。随着泡沫厚度的增加,Z向增强夹芯复合材料的弯曲载荷和弯曲刚度会相应增大。Z向增强泡沫夹芯复合材料的平面内压缩和边缘压缩性能随着泡沫厚度的减小而增大。数值模拟得到的最大载荷值与试验测试得到的最大载荷值有良好的一致性,误差控制在12%左右。

关键词： 颅骨   顶骨   材料力学   弹性模量   板障  

摘要： 目的:通过颅骨形态结构及材料力学参数检测,探讨不同年龄、不同部位、不同层次颅骨及不同分区顶骨形态结构及材料力学性能差异,为建立精细化头颅有限元模型提供参考依据,为法医鉴定工作中年龄推断、颅脑损伤生物力学机制分析提供新的思路。方法:(1)截取不同年龄段(共49例尸体样本,分为0-1岁、2-12岁、31-50岁、51-70岁、71-90岁5组)人尸体不同部位(左额骨(Left frontal bone,LF)、左顶骨(Left parietal bone,LP)和冠状缝(Coronal suture,CS))颅骨及不同分区(共11例尸体样本,分别选取左侧上顶、侧顶和后顶)顶骨骨片,利用游标卡尺对上述骨片厚度进行测量,利用电子万能材料试验机进行三点弯曲实验后检测/计算其极限载荷、极限载荷作用下的形变、弯曲强度和弹性模量等材料力学参数,分析不同年龄、不同部位人尸体颅骨及不同分区顶骨骨片厚度与材料力学参数差异并探讨二者变化相关性;截取不同年龄段人尸体(共5例,年龄分别为17天、3岁、8岁、51岁及77岁)不同部位(LF和CS)颅骨骨片,利用环氧树脂包埋分别制备不同层次(内板、板障及外板)的实验样本,利用纳米压痕仪检测各样本压缩硬度(Indentation hardness,HIT)和弹性模量(Elastic modulus,E),并分析上述骨片样本材料力学参数差异。(2)制备不同年龄段(2、4、6、8、17、26、52和104周龄共8组,每组6只,共48只)大鼠头颅压缩模具,利用电子万能材料试验机对其颅骨进行单轴纵向压缩实验,检测/计算极限载荷、压缩强度及压缩模量各材料力学参数,进一步分析颅骨材料力学参数与年龄变化相关性,利用微型CT(Microfocus computed tomography,Micro-CT)对其进行扫描并检测未破坏侧骨密度、骨体积、骨小梁厚度等骨质参数,并分析其与材料力学参数变化相关性。结果:(1)人尸体颅骨LF、LP和CS的厚度随着年龄的增长先增大后减小。成年组LF、LP和CS的极限载荷均高于未成年组。LF、LP和CS在厚度、极限载荷、极限载荷作用下的形变、极限载荷作用下的应变和弹性模量上差异有统计学意义(P<0.05),LP和CS的颅骨厚度均低于LF,LP的极限载荷作用下的形变最高,极限载荷和弹性模量表现为LF>LP>CS。LF、LP和CS均表现为极限载荷、弯曲强度与厚度呈正相关,而极限载荷作用下的形变与厚度呈负相关(P<0.05)。极限载荷作用下的应变与厚度仅在LF存在相关性,且为正相关(P<0.05)。弹性模量与厚度仅在CS存在相关性(P<0.05),表现为正相关,其余各部位不存在相关性(P>0.05)。人顶骨各分区实验检测结果显示上顶、侧顶及后顶的厚度依次为上顶>后顶>侧顶,极限载荷依次为上顶>后顶>侧顶,弯曲强度与弹性模量均为侧顶>后顶>上顶,极限载荷作用下的形变为侧顶>上顶(P<0.05)。顶骨各分区骨片极限载荷与厚度呈正相关,弯曲强度和弹性模量均与厚度呈负相关(P<0.05)。纳米压痕实验结果显示,不同年龄组间的人尸体颅骨HIT和E差异均有统计学意义(P<0.01),HIT、E在51岁前呈上升趋势,51岁后呈略有下降趋势。板障E高于内板和外板(P<0.05),而HIT在不同层次间无显著统计学差异。就部位而言,LF的HIT和E均明显高于CS。(2)不同年龄组大鼠颅骨极限载荷、压缩强度和压缩模量组间差异均具有统计学意义(P<0.05),极限载荷、压缩强度和压缩模量在26周前均呈增大趋势,与年龄呈明显正相关(P<0.05)。不同年龄组大鼠颅骨厚度、骨密度、骨体积和骨小梁厚度组间差异均具有统计学意义(P<0.05),随年龄增长,骨密度、骨体积和骨小梁厚度在2-52周组均随年龄呈增大趋势(骨小梁厚度26周组稍降低),52周后稍降低,各骨质参数在52周内与年龄均呈正相关(P<0.05),不同年龄组大鼠颅骨骨折类型及形态存在差异,2-4周组仅见颅缝分离,6-104周组则出现粉碎性骨折。所有大鼠极限载荷、压缩强度、压缩模量均与骨密度、骨体积、骨小梁厚度、颅骨厚度呈正相关。结论:(1)年龄差异方面,婴幼儿颅骨厚度及极限载荷、弯曲强度和弹性模量明显小于成人,不同年龄大鼠颅骨微观结构及材料力学参数均呈增龄性变化规律,且二者存在相关性,提示颅骨的结构参数及材料力学参数可用于年龄推断,同时亦提示在建立不同年龄人群颅脑/颅骨有限元模型时材料参数应分别赋值;(2)部位差异方面,顶骨和冠状缝的颅骨厚度均低于额骨,顶骨极限载荷作用下的形变高于额骨和冠状缝,极限载荷和弹性模量表现为:额骨>顶骨>冠状缝;顶骨不同分区极限载荷大小为:左上顶>左后顶>左侧顶,弯曲强度与弹性模量均为:左侧顶>左后顶>左上顶;颅骨不同层次弹性模量大小为:板障

关键词： 蠕变   BF/EP复合材料   表面改性   纳米SiO2   润湿渗透剂  

摘要： 玄武岩纤维（Basalt Fiber,BF）是一种天然材料,其生产过程低碳环保,有着优异的力学性能和化学稳定性,具有广阔的发展前景。然而,在玄武岩纤维增强环氧树脂（BF/EP）复合材料中,BF表面呈惰性,现有的上浆剂不能为BF与环氧树脂（Epoxy,EP）基体提供高强度的界面粘结,制约了BF/EP复合材料的发展和应用。且EP的粘弹性特质也使得蠕变成为研究BF/EP复合材料长期耐久性时的必要考虑因素。本文结合实验与有限元分析,系统地研究了纤维表面改性对BF/EP复合材料力学性能和蠕变行为的影响。主要内容如下:（1）以只使用硅烷偶联剂改性的BF为对照组,基于不同原理,分别使用纳米Si O2/硅烷偶联剂和润湿渗透剂/硅烷偶联剂两种方法对上浆剂进行改进,并设计正交试验得到了丝束强度最高时上浆剂中各组分的含量。（2）基于对照组上浆剂及两种改进的最佳组分含量上浆剂制备了三组纤维,测定其丝束强度,并在场发射扫描电镜下对其表面形貌进行了观测;为测评经表面改性的BF与EP的界面粘结性能,制备了BF/EP浸胶纱,测定其拉伸性能。结果表明,经两种方法改性后,BF的丝束强度和浸胶纱拉伸强度、拉伸模量均有提升,且不同的增强机制使得BF表面呈现不同的形貌。（3）使用缠绕成型法制备了BF/EP复合材料,测定其弯曲强度和弯曲模量,在场发射扫描电镜下观测其弯曲断口形貌,并进行了20%应力水平下2544 h的长期蠕变性能测试和不同应力水平下6000 s的短时蠕变性能测试,使用HKK模型和时间-应力等效模型分别对BF/EP复合材料的长期蠕变行为和短时蠕变行为进行了描述和预测。结果显示,在上浆剂中分别引入纳米Si O2和润湿渗透剂后,BF/EP复合材料的弯曲性能和抗蠕变性能得到改善,且应力水平越高,对抗蠕变性能的改善效果越明显,弯曲断口的表面形貌进一步证实了纤维表面改性对界面结合性能的增强作用。在低应力下,该材料还表现出了线性蠕变的特点。（4）建立了BF/EP复合材料弯曲蠕变有限元模型,界面的力学行为由双线性内聚力模型描述,对比有限元计算结果和长期蠕变实验结果,获得了相应的界面参数。结果表明,表面改性提高了复合材料的界面强度和界面刚度。并使用建立的有限元模型讨论了界面性能、纤维性能和树脂含量对蠕变行为的影响。

关键词： 橡胶   织物增强复合材料   超弹性   应力松弛   本构拟合   仿真分析  

摘要： 橡胶由于具有超弹性,是可调节鼓包进气道柔性蒙皮的理想材料,然而由于其模量较小,在大载荷下会产生较大变形,影响气动性能,因此采用织物增强橡胶复合材料以增强其特定方向刚度。由于橡胶及织物均非线弹性材料,因而如何对其力学性能进行描述及仿真较为关键。本文从唯象理论及试验出发,研究了织物增强复合材料的超弹性和应力松弛特性,主要工作如下: (1)研究了橡胶基于热力学统计理论和基于连续介质唯象理论的本构模型,推导了MooneyRivlin模型及Neo-Hookean模型在单轴拉伸下的伸长率和工程应力的关系,并完成了橡胶的单轴拉伸试验,利用试验数据对两个模型分别进行了拟合,选取了较优的Mooney-Rivlin模型作为橡胶本构。设计了等双轴拉伸夹具,并完成了橡胶的双轴拉伸试验,使用ABAQUS软件及单轴拉伸拟合的橡胶参数对双轴拉伸试验进行了仿真对比,验证了橡胶模型的合理性。 (2)从纤维增强连续介质力学理论出发,提出了一种织物增强橡胶各向异性超弹性模型,将其应变能分解为橡胶基体应变能、织物拉伸应变能与织物、橡胶剪切应变能三部分,并推导了其在单轴拉伸下的应力应变关系,给出了其中的参数确定方法。采用不同夹角的单轴拉伸试验数据拟合了其中参数,编写了ABAQUS软件的UANISOHYPER＿INV材料子程序。数值模拟了单轴拉伸及双轴拉伸试验,验证了织物增强橡胶材料模型的合理性。 (3)研究了应力松弛模型,推导了整数阶Zener模型、分数阶Zener模型及考虑材料参数劣化的非定常分数阶Zener模型,完成了橡胶及织物增强橡胶不同应变下的应力松弛试验,分析了各模型对两种材料的适用性,提出了适用于纯橡胶的分数阶Zener模型与适用于织物增强橡胶的非定常分数阶Zener模型,并分析了非定常分数阶Zener模型中各参数对模型的影响。 (4)初步设计了一种可调节鼓包进气道结构,建立了其有限元简化模型,利用两种材料的试验参数分别对其进行了仿真,分析了不同材料在不同工况下的力学响应,对比了织物增强橡胶复合材料与纯橡胶的力学性能差异。

关键词： 三维机织预制体   细观结构模型   织物结构设计   三维机织复合材料   力学性能  

摘要： 三维机织碳纤维树脂基复合材料在航空航天、交通运输等先进制造领域应用前景广阔。为满足复杂承载及构件轻量化的设计要求,碳纤维三维机织复合材料已由功能构件逐步应用于承力构件。然而,碳纤维三维机织预制体具有较大的变形量,其结构在固化成型过程中容易产生不可控几何形变,影响复合材料构件性能的批量一致性,碳纤维未能充分发挥增强作用,复合材料的弹性模量不稳定,影响构件的刚度和强度,还无法批量满足主承力构件的使用要求。本文通过分析机织预制体的稳定结构形成机制,对比研究预制体结构对复合材料拉伸性能和弯曲性能的影响,提出稳定结构三维机织预制体的设计方法,探究预制体的稳定结构对提高复合材料初始弹性模量及抗疲劳性能的影响。 主要研究内容和结论如下: (1)分析机织预制体的结构不稳定因素和形成稳定结构的机制,通过构建三维机织预制体的代表性体积单元几何结构模型,讨论纱线参数和单元尺寸对预制体结构稳定性的影响,获得三维机织预制体形成稳定结构的条件,提出三维机织预制体结构稳定的设计方法。研究结果表明:纤维滑移是预制体中纱线截面不稳定的根本原因,宏观表现为纱线截面形状和空间结构的改变,单元几何尺寸的不唯一是预制体结构不稳定的重要因素;纤维的充分滑移、纱线截面形状的受力平衡以及单元尺寸的唯一,是预制体达到稳定结构的必要条件;降低纱线捻度和选择合适的工艺参数是提高三维机织预制体结构稳定性的有效方法。 (2)针对具有稳定结构的层层角联锁和双向角联锁三维机织预制体,分别建立其代表性体积单元的几何结构模型,讨论纱线参数对预制体结构参数及其稳定性的影响,获得预制体形成稳定结构的几何和工艺条件;分别建立三维机织复合材料的弹性常数预测模型,探究预制体的结构参数对弹性性能的影响,获得稳定结构三维机织复合材料的力学性能分析方法。研究结果表明:层层角联锁机织预制体中纱线截面参数和张开角是影响纤维体积分数的主要因素;随经纬纱线细度的增加,纤维体积分数减小,而几何关系角和单元边长均增大;纱线截面变形系数越大,预制体结构越稳定;复合材料沿经纱方向的弹性模量与经纱倾角成反比,与纤维体积分数成正比。双向角联锁机织预制体的纤维体积分数随纱线截面变形系数的增加而增加,且逐渐趋于恒定;复合材料沿经纬纱方向的弹性模量相近,与截面的变形系数成正比,沿厚度方向的弹性模量与变形系数成反比。纱线的稳定截面能有效降低预制体中承载纤维的屈曲程度,减少预制体的变形裕量,提高预制体结构的稳定性。 (3)分别设计稳定结构的层层角联锁和双向角联锁预制体,并用12K碳纤维纱线加工了样件。采用VARTM工艺,与环氧树脂进行复合制备相应的三维机织复合材料试样,进行了准静态拉伸和三点弯曲试验,研究了预制体的稳定结构对试样弹性性能及失效模式的影响,并探究其损伤机理。结果表明:承载纱线的低曲率使复合材料表现出较高的拉伸初始弹性模量,拉伸变化过程更加平稳,试验结果的离散程度较低,拉伸断口截面较为整齐,纤维断裂为其主要失效模式,应力的重新分布使碳纤维充分发挥承载作用;复合材料的弯曲模量与承载纱线的屈曲程度成反比,降低承载纱线的曲率,能减小复合材料弯曲弹性模量的离散系数,提高材料批量性能的一致性,厚度方向的增强纤维、中性面的偏移和应力的重新分布能有效抑制裂纹的扩展,受压面的纤维断裂和基体开裂是复合材料三点弯曲的主要失效模式。 (4)对比研究预处理工艺对非稳定层层角联锁机织复合材料力学性能的影响。采用相同工艺参数及纱线制备非稳定结构预制体,通过不同预处理工艺制备三维机织复合材料试样,对其进行准静态拉伸和三点弯曲试验,讨论预处理工艺对提高复合材料初始弹性模量的影响,并对其失效模式进行了对比分析。研究结果表明:预制体未经过预处理工艺制备的三维机织复合材料,其拉伸和弯曲弹性模量的离散系数较大,表现出多模量的变化特征,主要失效模式为纤维与树脂的脱粘,并伴随大量树脂基体的开裂;预制体采用预处理工艺制备的复合材料中承载纤维的屈曲程度较低,非稳定结构预制体的定向拉伸能有效提高复合材料的初始弹性模量,降低试验结果的离散系数,复合材料的失效模式以纤维的断裂为主,纤维与基体的界面结合强度较高,脆性断裂特征明显。 (5)对比分析三维机织预制体与层压结构预制体的细观结构特征及其稳定性,讨论不同预制体结构对碳纤维/环氧树脂复合材料准静态拉伸性能和弯曲性能的影响,探究提高初始弹性模量的有效方法,观察试样截面及断口的形貌特征,对其失效机理进行分析。对比研究结果表明:不同结构类型的预制体,其复合材料的拉伸性能和弯曲性能表现出较大差异;具有稳定结构预制体的双向角联锁机织复合材料表现出与平纹层压结构复合材料相近的面内拉伸性能,但层间增强纱线能有效提高复合材料的抗层间开裂性能;复合材料的初始弹性模量与承载纱线的曲率成反比,纤维与树脂的接触面积与界面结合强度成正比,高

关键词： 固体火箭发动机   推进剂   本构模型   UMAT子程序   装药结构完整性  

摘要： 固体火箭发动机是导弹武器和航天运载器的主要动力装置,其装药结构完整性的好坏决定着发射任务的成败。目前在开展装药结构完整性分析时,视推进剂装药结构力学性能均匀分布,然而受固化降温、环境压强及拉压不对称性等因素影响,药柱内部力学性能非均匀分布。本文围绕推进剂力学性能非均匀性,应用UMAT子程序,建立考虑推进剂力学性能非均匀性的装药结构完整性数值仿真分析方法,探究推进剂力学性能非均匀性对装药结构完整性影响。本文主要研究内容如下:(1)基于线性粘弹性本构模型三维扩展理论,提出了含损伤非线性ZWT本构模型三维离散方法。应用本构模型三维形式,编制UMAT子程序,为后续分析研究提供基础;(2)基于固化降温产生的固化应变对推进剂材料力学性能的影响规律,提出了考虑固化降温载荷影响的装药结构完整性分析方法,分析了固化降温载荷对固体火箭发动机装药结构完整性的影响。(3)基于围压环境下推进剂材料力学性能的变化规律,提出了考虑围压效应的装药结构完整性分析方法,分析了围压效应对固体火箭发动机装药结构完整性的影响。(4)基于单轴拉伸和单轴压缩条件下,推进剂材料表现出的力学性能不对称性,提出了考虑拉压不对称效应的装药结构完整性分析方法,分析了推进剂拉压不对称效应对固体火箭发动机装药结构完整性的影响。本文提出了考虑推进剂力学性能非均匀性的装药结构完整性分析方法,对固体火箭发动机装药结构完整性评估及寿命评估具有一定的参考意义。

关键词： 碱激发   力学性能   抗裂性   抗渗性   粉煤灰   矿渣   纤维  

摘要： 通过设计碱激发材料配合比,选取氢氧化钠掺量为因素变量,对碱激发胶砂试件的力学性能与凝结规律进行试验研究,并与水泥胶砂试件进行对比。在此基础上,通过对掺入纤维种类与掺量等因素变化,研究碳纤维、玄武岩纤维与聚丙烯纤维对碱激发材料的力学性能、流动性、抗裂性能与抗渗性能的影响规律,得到主要结论如下:(1)抗压强度和抗折强度试验研究表明,随着氢氧化钠掺量提高,试件力学性能先显著上升,后持续降低,氢氧化钠掺量24g(占凝胶质量百分比5.3%)最佳,碱激发试件抗压强度明显优于水泥试件。凝结试验表明,随着氢氧化钠掺量提高,初凝与终凝时间持续缩短,最后保持平稳,碱激发材料具有显著的速凝特征。(2)纤维增强抗压强度、抗折强度试验研究表明,纤维的掺入均引起抗压强度的略微下降,但抗折强度显著提高。碳纤维增强作用优于玄武岩纤维,聚丙烯纤维的增强幅度最小。流动性试验表明,纤维的掺入均导致流动性降低,聚丙烯纤维的影响低于碳纤维,玄武岩纤维对流动性影响最大。碳纤维掺量0.5%,试件抗压强度降低10%,抗折强度提高25%,流动性降低6.7%。(3)抗裂性试验表明,碱激发材料的抗裂性明显优于水泥混凝土,速凝与早强的特性是试验条件下碱激发材料抗裂性优于水泥的原因。0.1%碳纤维掺量能显著提高碱激发试件的抗裂性,而玄武岩纤维与聚丙烯纤维掺量分别达到0.7%与0.5%才能够达到碳纤维(0.1%)同样增强效果。当碳纤维掺量达到0.5%就可以完全抑制试件的开裂,而玄武岩纤维与聚丙烯纤维掺量需达到1.0%与0.9%。碳纤维抗拉强度高,与碱激发材料的粘结性能好,以及在试件中能够良好的分散是其增强作用明显优于其他纤维的原因。(4)抗渗性试验表明,碱激发材料聚合反应生成块状与片状水化硅铝酸钙凝胶,使微观结构更加致密,整体性更好。碳纤维与聚丙烯纤维的掺入均能进一步提高碱激发混凝土的抗渗性,随着纤维掺量的提高,碱激发混凝土抗渗性先升高后降低。玄武岩纤维的掺入导致抗渗性持续降低。纤维发生团聚,导致微观孔隙与裂缝增多是抗渗性降低的主要原因。图43表32参113