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2025, 45(7): 071001.
doi: 10.11883/bzycj-2024-0500
摘要:
为研究飞机机身下部结构的坠撞吸能特性并进行吸能设计，以典型民机金属机身的下部结构为对象，首先开展了典型机身下部结构的坠撞实验，基于实验和仿真结果，对机身下部结构的吸能特性进行了评估；在此基础上，开展了机身下部结构的坠撞吸能设计，并采用仿真手段研究了新型机身下部结构的布局参数对结构坠撞响应的影响。结果表明：在坠撞过程中，原构型机身下部结构的立柱均在连接处附近弯折并断裂，而立柱的其他区域几乎未发生塑性变形；在机身结构总质量基本不变的情况下，与原构型相比，新型机身下部结构变形更加充分，可显著降低飞机坠撞前期的载荷和加速度峰值，机身框和下部吸能结构的吸能占比明显增大；相较于原构型，优化后的新型机身结构的平均过载下降了30.8%，客舱地板上2个质量点的平均加速度分别下降了25.0%和37.6%。
为研究飞机机身下部结构的坠撞吸能特性并进行吸能设计，以典型民机金属机身的下部结构为对象，首先开展了典型机身下部结构的坠撞实验，基于实验和仿真结果，对机身下部结构的吸能特性进行了评估；在此基础上，开展了机身下部结构的坠撞吸能设计，并采用仿真手段研究了新型机身下部结构的布局参数对结构坠撞响应的影响。结果表明：在坠撞过程中，原构型机身下部结构的立柱均在连接处附近弯折并断裂，而立柱的其他区域几乎未发生塑性变形；在机身结构总质量基本不变的情况下，与原构型相比，新型机身下部结构变形更加充分，可显著降低飞机坠撞前期的载荷和加速度峰值，机身框和下部吸能结构的吸能占比明显增大；相较于原构型，优化后的新型机身结构的平均过载下降了30.8%，客舱地板上2个质量点的平均加速度分别下降了25.0%和37.6%。
2025, 45(7): 071411.
doi: 10.11883/bzycj-2024-0227
摘要:
缩比实验具有成本低、风险小、周期短等优势，在航空航天等领域应用广泛。以典型民机机身下部结构为对象，开展了民机结构坠撞缩比理论分析和实验方法研究。推导了民机坠撞缩放比例因子，设计并加工了1/4缩比实验件，开展了6 m/s工况下的坠撞实验，获得了全尺寸坠撞实验与缩比实验中机身结构关键位置处的速度和加速度响应、地面撞击载荷响应以及局部关键部位的变形和破坏模式，并对其进行了对比分析。结果表明：缩比实验件与全尺寸实验件在框和立柱处的变形和破坏模式具有较好一致性。缩比结构对全尺寸原型结构的坠撞载荷峰值预测误差为14.4%，座椅加速度峰值预测误差为14.8%，横梁处的加速度峰值预测误差为13.1%。缩比实验可以有效预测全尺寸原型结构的变形、破坏过程和关键部位的动态响应，可用于民机结构坠撞性能验证和评估。
缩比实验具有成本低、风险小、周期短等优势，在航空航天等领域应用广泛。以典型民机机身下部结构为对象，开展了民机结构坠撞缩比理论分析和实验方法研究。推导了民机坠撞缩放比例因子，设计并加工了1/4缩比实验件，开展了6 m/s工况下的坠撞实验，获得了全尺寸坠撞实验与缩比实验中机身结构关键位置处的速度和加速度响应、地面撞击载荷响应以及局部关键部位的变形和破坏模式，并对其进行了对比分析。结果表明：缩比实验件与全尺寸实验件在框和立柱处的变形和破坏模式具有较好一致性。缩比结构对全尺寸原型结构的坠撞载荷峰值预测误差为14.4%，座椅加速度峰值预测误差为14.8%，横梁处的加速度峰值预测误差为13.1%。缩比实验可以有效预测全尺寸原型结构的变形、破坏过程和关键部位的动态响应，可用于民机结构坠撞性能验证和评估。
2025, 45(7): 071412.
doi: 10.11883/bzycj-2024-0315
摘要:
为研究硝酸酯增塑聚醚固体推进剂内部结构损伤演化行为，采用同步辐射X射线三维成像和自主研发的原位压缩试验系统，在0.1、1.0和5.0 mm/s加载速率下进行了宏细观结构的原位可视化观测，探究了推进剂宏观变形及其内部微裂纹的空间分布与传播模式。结果表明，微裂纹主要形核并生长于填充颗粒与基体界面处，细观孔隙的演化表现出率相关性。与拉伸加载下损伤持续生长不同，压缩过程中孔隙形核、生长与闭合并存；尤其在高速压缩下，推进剂产生“喇叭”状形貌且微裂纹沿四周分布，表面宏观破坏由近表面颗粒与基体界面处的微裂纹扩展传播所致。研究还发现：微裂纹的传播与填充颗粒的空间位置相关，在动态压缩载荷作用下，微裂纹存在横向和轴向两种扩展模式；基体竖直取向微裂纹易发生向水平取向微裂纹的转变，从而导致裂纹闭合。
为研究硝酸酯增塑聚醚固体推进剂内部结构损伤演化行为，采用同步辐射X射线三维成像和自主研发的原位压缩试验系统，在0.1、1.0和5.0 mm/s加载速率下进行了宏细观结构的原位可视化观测，探究了推进剂宏观变形及其内部微裂纹的空间分布与传播模式。结果表明，微裂纹主要形核并生长于填充颗粒与基体界面处，细观孔隙的演化表现出率相关性。与拉伸加载下损伤持续生长不同，压缩过程中孔隙形核、生长与闭合并存；尤其在高速压缩下，推进剂产生“喇叭”状形貌且微裂纹沿四周分布，表面宏观破坏由近表面颗粒与基体界面处的微裂纹扩展传播所致。研究还发现：微裂纹的传播与填充颗粒的空间位置相关，在动态压缩载荷作用下，微裂纹存在横向和轴向两种扩展模式；基体竖直取向微裂纹易发生向水平取向微裂纹的转变，从而导致裂纹闭合。
2025, 45(7): 071413.
doi: 10.11883/bzycj-2024-0477
摘要:
K447A是一种广泛用于航空发动机关键热端部件的镍基高温合金，通过在25～1000 ℃温度范围内进行准静态和高应变率压缩试验，系统研究了K447A高温合金的动态力学性能，并深入剖析了温度和应变率对其塑性流动行为的影响。研究结果表明：K447A合金的塑性变形过程中同时存在应变硬化、热软化和应变率强化现象。随着应变率从准静态增加到5000 s−1，温度敏感指数s逐渐减小，而在800 ℃时，K447A合金在高应变率范围出现反常应力峰。随着温度的升高，应变率敏感因子p逐渐增大；材料内部的微观组织结构受应变率和温度耦合影响，应变率增加会导致晶粒细化，而温度升高会导致材料内部低角晶界占比减少，从而出现动态再结晶现象。基于流动应力受温度和应变率耦合影响的考虑，建立了修正的Johnson-Cook本构模型，与修正前相比，预测误差从26.36%降低到9.05%。
K447A是一种广泛用于航空发动机关键热端部件的镍基高温合金，通过在25～
2025, 45(7): 071414.
doi: 10.11883/bzycj-2024-0448
摘要:
为促进装备热端部件在动态载荷下服役性能的评估和预测，针对不同微结构特征的镍基单晶高温合金开展了一系列分离式霍普金森拉杆（split Hopkinson tensile bar，SHTB）试验和扫描电镜表征，系统研究了沉淀相体积分数、相粗化程度、应变率和加载角度等因素对合金动态拉伸性能的影响。结果表明：微结构和应变率对镍基单晶高温合金动态拉伸性能具有显著影响，且相粗化后合金动态拉伸性能呈现出复杂的各向异性特征。总体而言，合金屈服强度和抗拉强度呈正相关关系，随着沉淀颗粒体积分数或应变率的增大，试件逐渐表现出脆性断裂特征，且其屈服强度和抗拉强度逐渐增大，而极限伸长率则逐渐减小；其次，时效处理所导致的颗粒相粗化对合金强度有着明显的弱化作用，而对极限伸长率起到强化效果，即相粗化后合金试样表现出混合断裂特征，随着相粗化程度的增加，其屈服强度和抗拉强度逐渐降低，而极限伸长率逐渐增大。此外，在55°加载角度时，合金强度和极限伸长率均低于0°加载角度下的情况；然而，在应变率较高时，对于体积分数和相粗化程度均较大的合金，其极限伸长率在55°加载角度时取得最大值。相关变化同断口纤维区面积和解理面特征密切相关，材料微结构和加载条件的改变将影响材料内部微裂纹形核和运动特性，进而影响合金变形特征和动态拉伸性能。研究结果可为提高镍基单晶高温合金性能和优化热端部件结构设计提供理论支持和数据支撑。
为促进装备热端部件在动态载荷下服役性能的评估和预测，针对不同微结构特征的镍基单晶高温合金开展了一系列分离式霍普金森拉杆（split Hopkinson tensile bar，SHTB）试验和扫描电镜表征，系统研究了沉淀相体积分数、相粗化程度、应变率和加载角度等因素对合金动态拉伸性能的影响。结果表明：微结构和应变率对镍基单晶高温合金动态拉伸性能具有显著影响，且相粗化后合金动态拉伸性能呈现出复杂的各向异性特征。总体而言，合金屈服强度和抗拉强度呈正相关关系，随着沉淀颗粒体积分数或应变率的增大，试件逐渐表现出脆性断裂特征，且其屈服强度和抗拉强度逐渐增大，而极限伸长率则逐渐减小；其次，时效处理所导致的颗粒相粗化对合金强度有着明显的弱化作用，而对极限伸长率起到强化效果，即相粗化后合金试样表现出混合断裂特征，随着相粗化程度的增加，其屈服强度和抗拉强度逐渐降低，而极限伸长率逐渐增大。此外，在55°加载角度时，合金强度和极限伸长率均低于0°加载角度下的情况；然而，在应变率较高时，对于体积分数和相粗化程度均较大的合金，其极限伸长率在55°加载角度时取得最大值。相关变化同断口纤维区面积和解理面特征密切相关，材料微结构和加载条件的改变将影响材料内部微裂纹形核和运动特性，进而影响合金变形特征和动态拉伸性能。研究结果可为提高镍基单晶高温合金性能和优化热端部件结构设计提供理论支持和数据支撑。
2025, 45(7): 071415.
doi: 10.11883/bzycj-2024-0453
摘要:
为研究民航客机用高性能碳纤维复合材料的冰雹撞击损伤特性，首先，通过试验对冰球在高速冲击下的撞击力特性进行了研究，给出了冲击力时程曲线以及峰值冲击力与冰球动能的线性增长关系；随后，对T800/3200碳纤维复合材料层合板进行单次冰球撞击，发现其损伤形态与碳纤维层合板的铺层方式有关，而损伤程度则与冰球的初速度有关，同时超声C扫描结果表明其内部层间脱粘面积与冰球撞击时的动能呈线性增长关系；最后，对相同厚度的靶板进行了冰球重复撞击试验，结果表明，其宏观损伤程度随撞击次数的增加而加重，且碳纤维板中心点的挠度与冰球累积动能呈二次关系，并最终呈现前后贯穿且伴有大量纤维拔出的损伤形态。
为研究民航客机用高性能碳纤维复合材料的冰雹撞击损伤特性，首先，通过试验对冰球在高速冲击下的撞击力特性进行了研究，给出了冲击力时程曲线以及峰值冲击力与冰球动能的线性增长关系；随后，对T800/3200碳纤维复合材料层合板进行单次冰球撞击，发现其损伤形态与碳纤维层合板的铺层方式有关，而损伤程度则与冰球的初速度有关，同时超声C扫描结果表明其内部层间脱粘面积与冰球撞击时的动能呈线性增长关系；最后，对相同厚度的靶板进行了冰球重复撞击试验，结果表明，其宏观损伤程度随撞击次数的增加而加重，且碳纤维板中心点的挠度与冰球累积动能呈二次关系，并最终呈现前后贯穿且伴有大量纤维拔出的损伤形态。
2025, 45(7): 071416.
doi: 10.11883/bzycj-2024-0355
摘要:
为研究超高速撞击中的闪光辐射特性，基于二级轻气炮平台搭建闪光辐射测试试验系统，分析了撞击速度、弹丸直径和靶室真空度对闪光频域与时域特性的影响。结果表明，闪光频域由线光谱和连续光谱组成，撞击速度和弹丸直径的增大提升了初始动能，显著增强了闪光辐射强度；靶室环境压力的提高则通过增加摩擦生热进一步提升了辐射强度。在衰减阶段，更高的撞击速度延长了闪光持续时间，但加速了温度衰减；弹丸直径对闪光持续时间和温度影响较小；靶室环境压力的降低则减缓了衰减，延长了闪光持续时间。研究表明，撞击速度和靶室环境压力对闪光特性影响显著，而弹丸直径影响有限。
为研究超高速撞击中的闪光辐射特性，基于二级轻气炮平台搭建闪光辐射测试试验系统，分析了撞击速度、弹丸直径和靶室真空度对闪光频域与时域特性的影响。结果表明，闪光频域由线光谱和连续光谱组成，撞击速度和弹丸直径的增大提升了初始动能，显著增强了闪光辐射强度；靶室环境压力的提高则通过增加摩擦生热进一步提升了辐射强度。在衰减阶段，更高的撞击速度延长了闪光持续时间，但加速了温度衰减；弹丸直径对闪光持续时间和温度影响较小；靶室环境压力的降低则减缓了衰减，延长了闪光持续时间。研究表明，撞击速度和靶室环境压力对闪光特性影响显著，而弹丸直径影响有限。
2025, 45(7): 071421.
doi: 10.11883/bzycj-2024-0522
摘要:
针对典型民用飞机机身下部结构加装辅助燃油箱，开展了冲击速度为1.53、2.78和5.96 m/s的垂直坠撞试验，研究了辅助燃油箱对机身下部结构的触地冲击响应、结构变形和破坏模式的影响。对比仿真与试验结果，验证了加装辅助燃油箱的机身下部结构有限元模型的有效性，通过仿真分析了垂直坠撞过程中的结构吸能形式。结果表明：在冲击速度为1.53 m/s的工况下，机身下部结构以弹性变形为主，仅有轻微的塑性变形；在冲击速度为2.78 m/s的工况下，机身框、蒙皮及货舱地板T形支撑件以弯曲变形为主，整体结构压缩程度较小，货舱地板T形支撑件与左侧地板滑轨连接失效后翘起，未触及油箱；在冲击速度为5.96 m/s的工况下，机身下部结构压缩变形严重，左侧斜支撑受压发生断裂，辅助燃油箱下沉至货舱地板。仿真的坠撞触地撞击力和典型位置加速度变化趋势与试验结果吻合较好，能有效模拟坠撞过程中结构的变形和破坏情况。仿真结果表明，在加装辅助燃油箱的机身下部结构的坠撞试验中，机身框是主要的变形吸能部件，蒙皮和辅助燃油箱是次要的变形吸能结构；随着辅助燃油箱装油质量的增加，仿真得到的辅助燃油箱和机身下部结构组件的吸收冲击能量增加，破坏更严重。
针对典型民用飞机机身下部结构加装辅助燃油箱，开展了冲击速度为1.53、2.78和5.96 m/s的垂直坠撞试验，研究了辅助燃油箱对机身下部结构的触地冲击响应、结构变形和破坏模式的影响。对比仿真与试验结果，验证了加装辅助燃油箱的机身下部结构有限元模型的有效性，通过仿真分析了垂直坠撞过程中的结构吸能形式。结果表明：在冲击速度为1.53 m/s的工况下，机身下部结构以弹性变形为主，仅有轻微的塑性变形；在冲击速度为2.78 m/s的工况下，机身框、蒙皮及货舱地板T形支撑件以弯曲变形为主，整体结构压缩程度较小，货舱地板T形支撑件与左侧地板滑轨连接失效后翘起，未触及油箱；在冲击速度为5.96 m/s的工况下，机身下部结构压缩变形严重，左侧斜支撑受压发生断裂，辅助燃油箱下沉至货舱地板。仿真的坠撞触地撞击力和典型位置加速度变化趋势与试验结果吻合较好，能有效模拟坠撞过程中结构的变形和破坏情况。仿真结果表明，在加装辅助燃油箱的机身下部结构的坠撞试验中，机身框是主要的变形吸能部件，蒙皮和辅助燃油箱是次要的变形吸能结构；随着辅助燃油箱装油质量的增加，仿真得到的辅助燃油箱和机身下部结构组件的吸收冲击能量增加，破坏更严重。
2025, 45(7): 071422.
doi: 10.11883/bzycj-2024-0371
摘要:
针对发动机风扇机匣包容性评估需求，提出一种结合了打靶试验和有限元分析评估机匣包容能力的方法。采用叶片形弹体冲击半环模拟机匣以获取钛合金机匣的冲击损伤基本特性，并基于接触-碰撞显式动力学分析软件建立相应的数值仿真模型，对比弹体剩余速度、靶板径向变形量以及结构损伤形貌的数值模拟结果与测试结果，二者良好的一致性表明本文数值仿真方法的准确性。然后，采用验证过的数值仿真方法建立真实断裂叶片撞击风扇机匣的计算模型，研究断叶转速及断叶尺寸对机匣包容性的影响。结果表明，旋转状态下风扇机匣的包容能力大于打靶试验中机匣所能承受的叶片冲击能量，工程设计中打靶试验可按照真实机匣临界包容速度的0.76倍进行穿透阈值设计。建立了机匣包容能力表征参量与断叶转速、尺寸的关联模型，发现机匣塑性变形能与叶片丢失转速呈四次方关系，与断叶尺寸呈平方关系；且随着断叶尺寸的增大，机匣临界包容转速呈指数形式下降。
针对发动机风扇机匣包容性评估需求，提出一种结合了打靶试验和有限元分析评估机匣包容能力的方法。采用叶片形弹体冲击半环模拟机匣以获取钛合金机匣的冲击损伤基本特性，并基于接触-碰撞显式动力学分析软件建立相应的数值仿真模型，对比弹体剩余速度、靶板径向变形量以及结构损伤形貌的数值模拟结果与测试结果，二者良好的一致性表明本文数值仿真方法的准确性。然后，采用验证过的数值仿真方法建立真实断裂叶片撞击风扇机匣的计算模型，研究断叶转速及断叶尺寸对机匣包容性的影响。结果表明，旋转状态下风扇机匣的包容能力大于打靶试验中机匣所能承受的叶片冲击能量，工程设计中打靶试验可按照真实机匣临界包容速度的0.76倍进行穿透阈值设计。建立了机匣包容能力表征参量与断叶转速、尺寸的关联模型，发现机匣塑性变形能与叶片丢失转速呈四次方关系，与断叶尺寸呈平方关系；且随着断叶尺寸的增大，机匣临界包容转速呈指数形式下降。
2025, 45(7): 071423.
doi: 10.11883/bzycj-2024-0363
摘要:
软管锥套式空中加油过程涉及气动力、燃油流动、柔性结构变形的复杂耦合，其耦合求解对仿真技术要求高、计算量大，严重制约了软管空中加油的准确性与安全性。为了准确分析软管锥套组合体在对接输油过程中的动力学特性，避开动力学方程建模的劣势，提出了一种考虑气动力、尾涡、软管变形与气流场双向影响、燃油内部流动综合影响下软管锥套组合体结构变形过程的流固耦合有限元模型及求解方法。模型中计算了稳定伞的作用效果并等效解耦成力和转角边界条件，推导了机翼尾涡作用力方程，采用联合仿真技术进行了流固耦合分析，软管拖曳平衡状态的计算结果与试验数据吻合良好。通过进一步仿真计算，对燃油流动、对接参数及飞行参数等甩鞭现象产生的影响因素进行了分析，结果表明：对接速度和回收加速度的匹配关系是甩鞭载荷的主要影响因素，回收加速度与最优匹配对接速度大小正相关；其次，飞行参数是次要影响因素，在不考虑燃油流动时，每一种高度下都呈现出“飞行速度越高，甩鞭载荷越低”的特点；燃油流动是一项干扰因素，一定程度上会干扰上述规律，但不会影响整体规律，需针对工况进行分析。
软管锥套式空中加油过程涉及气动力、燃油流动、柔性结构变形的复杂耦合，其耦合求解对仿真技术要求高、计算量大，严重制约了软管空中加油的准确性与安全性。为了准确分析软管锥套组合体在对接输油过程中的动力学特性，避开动力学方程建模的劣势，提出了一种考虑气动力、尾涡、软管变形与气流场双向影响、燃油内部流动综合影响下软管锥套组合体结构变形过程的流固耦合有限元模型及求解方法。模型中计算了稳定伞的作用效果并等效解耦成力和转角边界条件，推导了机翼尾涡作用力方程，采用联合仿真技术进行了流固耦合分析，软管拖曳平衡状态的计算结果与试验数据吻合良好。通过进一步仿真计算，对燃油流动、对接参数及飞行参数等甩鞭现象产生的影响因素进行了分析，结果表明：对接速度和回收加速度的匹配关系是甩鞭载荷的主要影响因素，回收加速度与最优匹配对接速度大小正相关；其次，飞行参数是次要影响因素，在不考虑燃油流动时，每一种高度下都呈现出“飞行速度越高，甩鞭载荷越低”的特点；燃油流动是一项干扰因素，一定程度上会干扰上述规律，但不会影响整体规律，需针对工况进行分析。
2025, 45(7): 071424.
doi: 10.11883/bzycj-2024-0265
摘要:
为了提升Whipple屏对太空碎片的超高速冲击防护性能，在不增加多孔材料、碳纤维等其他吸能材料的前提下，设计了一种铝球微气囊阵列超结构，并应用3D打印技术进行加工制备。同时，构建了初速度为7.5 km/s的球形弹丸冲击靶板的计算模型，用以研究超高速冲击防护性能；将物质点法的计算精度与实验进行对比验证后，开展了超高速冲击Whipple屏三维数值模拟；通过与单层铝板的超高速冲击模拟得到的靶板穿孔尺寸、碎片云形貌及其速度、动量、能量和温度等参数比较分析，讨论并揭示了铝球微气囊超结构的能量吸收与耗散机理。结果表明：铝球微气囊超结构Whipple屏对弹丸轴向动能的削减值比单层铝板提高了300 J，其碎片云径向最大膨胀半径比单层铝板增大了32.2 mm。由此可知，铝球微气囊超结构Whipple屏可以显著提高对空间碎片超高速冲击的防护性能。同时，与相关实验数据对比结果表明，物质点法超高速冲击数值模拟具有较高的计算精度，可以作为研究开发新型Whipple屏的数值实验工具。
为了提升Whipple屏对太空碎片的超高速冲击防护性能，在不增加多孔材料、碳纤维等其他吸能材料的前提下，设计了一种铝球微气囊阵列超结构，并应用3D打印技术进行加工制备。同时，构建了初速度为7.5 km/s的球形弹丸冲击靶板的计算模型，用以研究超高速冲击防护性能；将物质点法的计算精度与实验进行对比验证后，开展了超高速冲击Whipple屏三维数值模拟；通过与单层铝板的超高速冲击模拟得到的靶板穿孔尺寸、碎片云形貌及其速度、动量、能量和温度等参数比较分析，讨论并揭示了铝球微气囊超结构的能量吸收与耗散机理。结果表明：铝球微气囊超结构Whipple屏对弹丸轴向动能的削减值比单层铝板提高了300 J，其碎片云径向最大膨胀半径比单层铝板增大了32.2 mm。由此可知，铝球微气囊超结构Whipple屏可以显著提高对空间碎片超高速冲击的防护性能。同时，与相关实验数据对比结果表明，物质点法超高速冲击数值模拟具有较高的计算精度，可以作为研究开发新型Whipple屏的数值实验工具。
2025, 45(7): 071425.
doi: 10.11883/bzycj-2024-0454
摘要:
为实现兼顾材料尺度效应和建模预测效率的冲击损伤和冲击疲劳研究方法，立足冲击损伤和疲劳过程中的金属塑性变形机理，研究了冲击损伤过程中尺度效应影响下的材料构效行为，建立了金属材料的去局域化、跨尺度冲击损伤本构理论，形成了面向先进制造多尺度金属材料的冲击损伤和疲劳的仿真方法。该方法利用低阶应变梯度理论实现尺度效应描述，在Johnson-Cook冲击动力学模型和Lemaitre冲击损伤模型的基础上，实现了跨尺度冲击动力学及损伤演化的描述，并可以在VUMAT子程序中便捷地实现该本构的有限元计算。有限元结果表明，材料的不均匀变形带来了较高的应变梯度，使得材料的应力水平在加工硬化及应变率硬化效应上进一步提升，同时也让材料更快地进入损伤阶段，导致承载力降低或提前失效，这与金属材料在强度与韧性间的拮抗关系保持了一致。
为实现兼顾材料尺度效应和建模预测效率的冲击损伤和冲击疲劳研究方法，立足冲击损伤和疲劳过程中的金属塑性变形机理，研究了冲击损伤过程中尺度效应影响下的材料构效行为，建立了金属材料的去局域化、跨尺度冲击损伤本构理论，形成了面向先进制造多尺度金属材料的冲击损伤和疲劳的仿真方法。该方法利用低阶应变梯度理论实现尺度效应描述，在Johnson-Cook冲击动力学模型和Lemaitre冲击损伤模型的基础上，实现了跨尺度冲击动力学及损伤演化的描述，并可以在VUMAT子程序中便捷地实现该本构的有限元计算。有限元结果表明，材料的不均匀变形带来了较高的应变梯度，使得材料的应力水平在加工硬化及应变率硬化效应上进一步提升，同时也让材料更快地进入损伤阶段，导致承载力降低或提前失效，这与金属材料在强度与韧性间的拮抗关系保持了一致。
2025, 45(7): 071426.
doi: 10.11883/bzycj-2024-0513
摘要:
皮质骨作为人体骨骼系统的重要组成部分，能有效分散与吸收外部冲击力，保护内部骨髓腔、周围软组织和器官不受损伤。为研究冲击载荷作用下皮质骨的力学响应，借助万能材料试验机和分离式霍普金森压杆装置对猪皮质骨开展了不同应变率下的准静态与动态压缩实验。采用超景深三维显微系统和数字图像相关技术观察了皮质骨的压缩形变特征，利用含损伤的黏弹性本构模型对实验数据进行了拟合，确定了模型中的本构参数。结果表明，皮质骨在压缩过程中表现为骨质裂纹的产生与扩展，其力学性能具有明显的应变率相关性，弹性模量、屈服应力和压缩强度随应变率的增大而显著提高。准静态加载时，应力-应变曲线包括弹性变形和塑性变形阶段；高应变率加载时，应力-应变曲线在应变小于0.2%时为弹性，随着压缩量的增加呈现高度的非线性，无显著塑性变形，表现出一定的黏弹性特征。实验曲线与本构模型理论曲线的对比表明，理论值与实验值的误差较小，本构模型能准确描述皮质骨在不同应变率下的压缩力学行为。研究成果可为人体冲击伤的救治与防护设计提供理论参考。
皮质骨作为人体骨骼系统的重要组成部分，能有效分散与吸收外部冲击力，保护内部骨髓腔、周围软组织和器官不受损伤。为研究冲击载荷作用下皮质骨的力学响应，借助万能材料试验机和分离式霍普金森压杆装置对猪皮质骨开展了不同应变率下的准静态与动态压缩实验。采用超景深三维显微系统和数字图像相关技术观察了皮质骨的压缩形变特征，利用含损伤的黏弹性本构模型对实验数据进行了拟合，确定了模型中的本构参数。结果表明，皮质骨在压缩过程中表现为骨质裂纹的产生与扩展，其力学性能具有明显的应变率相关性，弹性模量、屈服应力和压缩强度随应变率的增大而显著提高。准静态加载时，应力-应变曲线包括弹性变形和塑性变形阶段；高应变率加载时，应力-应变曲线在应变小于0.2%时为弹性，随着压缩量的增加呈现高度的非线性，无显著塑性变形，表现出一定的黏弹性特征。实验曲线与本构模型理论曲线的对比表明，理论值与实验值的误差较小，本构模型能准确描述皮质骨在不同应变率下的压缩力学行为。研究成果可为人体冲击伤的救治与防护设计提供理论参考。
