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金属蜂窝夹芯板疲劳和冲击力学性能研究

栾旭  
【摘要】: 金属热防护系统具有大尺寸、可重复使用、全寿命周期成本低的突出优势,是可重复使用运载器次高温区大面积防热的首选热防护系统。金属热防护系统主要由三部分组成:金属蜂窝夹芯板、多层反射隔热结构和支架连接结构。作为金属热防护系统的重要组成部分,金属蜂窝夹芯板的性能和结构可靠性关系到金属热防护系统的使用寿命和可重复使用运载器的安全。 金属蜂窝夹芯板具有质量轻、比刚度大、比强度高、隔热性能优良等优点,因此被广泛地应用于火箭、导弹、飞机、卫星等航空航天领域。蜂窝夹芯板作为可重复使用运载器的主要表面承力部件,不可避免的承受气动力、气动热、交变疲劳载荷、冲击载荷等。由于蜂窝夹芯板是复合结构,各种模拟方法都要以准确的材料参数为基础,而且金属蜂窝夹芯板在使用过程中还会受到疲劳载荷和不同程度的冲击,材料在交变载荷下的疲劳性能和在动态载荷作用下的力学性能并不清楚。另外,面板与蜂窝芯子之间的脱粘缺陷是蜂窝夹芯板最普遍也是危害性最为严重的缺陷之一,缺陷的位置位于结构内部,很难观察和检测,在损坏或断裂之前几乎没有什么先兆,其破坏具有突然性,往往对结构造成致命威胁,形成安全隐患。因此,准确定位面板内部缺陷的位置,并对含脱粘界面的蜂窝夹芯板的强度进行预报,以及分析脱粘界面裂纹的扩展过程对认识金属蜂窝夹芯板的损毁机制有很大的帮助。 由于金属热防护系统的研究在国内尚处在起步阶段,蜂窝夹芯板的力学特性并不清楚,对蜂窝夹芯板失效过程的表征与评价方法比较有限。本文针对蜂窝夹芯板在使用过程中的力学性能进行了理论、实验以及数值模拟等方面的研究,研究了其在不同温度下的力学性能、疲劳性能、冲击性能,并预报了界面脱粘的强度,研究了脱粘界面裂纹的扩展问题,为蜂窝夹芯板的结构设计与开发等奠定了理论基础,对工程应用具有重要意义。 在第二章中,利用实验的方法对蜂窝夹芯板的力学性能进行了测试。采用数字散斑相关技术和时间序列散斑检测技术,对蜂窝夹芯板共面拉伸进行了实验研究,测得了共面拉伸的弹性模量,与利用等刚度法计算得到的蜂窝夹芯板的等效弹性模量进行对比,验证了数字散斑相关技术的有效性和实用性。利用不同温度下的异面压缩实验和三点弯曲实验给出了蜂窝夹芯板的力学性能随温度的变化规律。随着温度的升高,异面压缩的弹性模量、平台应力以及三点弯曲强度都不同程度的降低;随着三点弯曲跨距的增大,屈服载荷减小。 针对脱粘缺陷,进行了基于电子剪切散斑干涉技术的无损检测实验研究,并利用相移技术、灰度提取与二值化处理技术,得到了较为理想的结果。针对蜂窝夹芯板的三点弯曲力学性能,建立了含缺陷蜂窝夹芯板的有限元模型,基于双线性内聚力模型和B-K准则,模拟了含脱粘缺陷的蜂窝夹芯板的力学性能,通过计算表明界面层间脱粘会导致应力集中,这些由脱粘引起的应力集中是导致蜂窝夹芯板在实验过程中力学性能显著下降的根本原因,并进行了验证性实验,证明了上述模型的有效性。在疲劳实验中,发现了蜂窝夹芯板的疲劳寿命由于蜂窝芯子的方向性而不同,且高温的疲劳寿命要高于室温的疲劳寿命。在所承受载荷接近材料服役极限载荷的情况下,材料的疲劳破坏成为蜂窝夹芯板失效的主要控制因素,裂纹在低于材料屈服应力的反复载荷作用下成核,并发生亚临界扩展,当裂纹长度达到临界值,裂纹发生失稳扩展,导致整体破坏。而当材料承受的载荷远小于服役极限载荷的条件下,由于应力水平低于或接近裂纹成核的门槛值,材料的疲劳破坏很难发生,但在蜂窝夹芯板制备的过程中不可避免的存在一些微缺陷(焊缝、胶接处),这些缺陷在疲劳载荷下成为新的裂纹源,裂纹扩展导致结构连接处发生破坏,产生应力集中,从而导致整体失效。 采用动态压缩实验装置霍普金森压杆和Instron试验机分别研究了蜂窝夹芯板的压缩力学性能,比较了动态载荷与准静态载荷作用下的力学性能。由于蜂窝夹芯板具有较明显的应力不均匀性,采用波形整形技术,将入射波进行平滑处理。通过比较实验结果,选择了尺寸为Φ10mm×1mm的软质材料作为整形器,实现了试件在变形过程中处于常应变率变形状态。通过霍普金森压杆实验得到了蜂窝夹芯板在2500/s-3850/s应变率变化范围内的应力应变曲线。结果表明蜂窝夹芯板是率相关材料,动态最大应力随着应变率的增大而增大。分别测试了20℃、200℃、400℃和800℃下的应力应变曲线,结果发现在800℃以下,在相同的应变率条件下,温度对动态最大应力基本没有影响。 由于层间脱粘是蜂窝夹芯板力学性能降低的主要因素之一,本文研究了等效蜂窝夹芯层板的界面裂纹扩展过程,针对脱粘分层过程中出现的裂纹扩展建立了断裂动力学模型,以复变函数论为基础,应用自相似函数的方法将所讨论的问题转化为Riemann—Hilbert问题,得到了运动变载荷Pt n /x n、Px n +1 /tn分别作用下Ⅲ型非对称动态界面裂纹扩展的裂纹尖端的应力、位移、动态应力强度因子解析解的一般表达式。


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