飞行器在服役中面临着严酷的高温环境,飞行器构件高温力学性能的研究对于其结构设计与可靠性保障十分重要.数字图像相关方法作为一种常用的非接触式光学测量方法,具有测量精度高、环境要求低、全场测量等优势,但在高温环境下的测量仍存在诸多技术难题.本文针对高温导致的退相关现象、热流扰动消除、高温散斑制备技术、力热解耦困难及特殊场景下光路遮挡受限等问题技术难题介绍了对应的改进方法,总结了国内外研究人员的优化思路与解决方案,最后针对飞行器力热参数测量需求,对高温数字图像相关方法的技术发展趋势进行展望.
C/C复合材料同时结合了纤维增强复合材料高性能、可设计性和碳素材料优异的高温性能和化学稳定性等优点,广泛地应用于固体火箭发动机喷管、高速飞行器头部与翼前缘等热端部件.怎样正确评价C/C复合材料的超高温力学性能,成为了其能否合理使用的关键因素之一.本文将基于C/C复合材料良好导电特性的试样直接通电加热技术与复合材料双切口压缩剪切试验技术(DNS)相结合,提出了一种可用于温度达 3000℃的材料超高温剪切性能试验方法.利用该方法完成了 3D C/C复合材料室温～2800℃温度范围的剪切性能试验研究,红外热像仪测试结果显示在试样标距区内温度场分布较均匀,全场应变测试系统测试结果显示在试样标距区内应变分布较均匀,室温下双边切口压缩试验方法与Iosipescu试验方法测试剪切强度具有好的一致性,该方法适用于C/C复合材料超高温剪切性能试验研究.3D C/C复合材料具有显著的剪切非线性,剪切强度在一定温度范围内随温度的升高而增加,在 2400℃左右达到最大值,而后随温度增高而降低;材料的主要破坏模式为薄弱面的宏观裂纹扩展、纤维束剪切破坏与拔出.
对C/SiC复合材料高温氧化过程的准确预示,是提升C/SiC复合材料热结构设计水平的关键技术之一.本文结合 C/SiC 复合材料氧化机理、多孔介质流动理论和 Fick 扩散定律,得到了不同温度作用下 C/SiC复合材料的氧化动力学方程并建立了氧化失重的数学表达式.开发了氧化扩展 UEL子程序,对典型 C/SiC复合材料试件氧化过程中氧、碳元素的分布和氧化扩展过程进行了分析,分析结果显示不同温度下的氧化失重与试验数据可以很好吻合.
受制备工艺约束,复合材料热结构内部的基体会存在不可忽视的细观孔隙缺陷.本文基于航天材料及工艺研究所制备的热结构CT图像开发了一种能够识别基体细观缺陷的机器学习模型,通过将注意力机制模块与深度学习框架进行结合,利用注意力机制模块能够关注特定预期分割目标区域的特点,实现对热结构 CT图像进行图像分割,试验证实本方法能够识别局部细观孔隙等缺陷,提升图像分割的精度.为了定量分析缺陷的几何形貌,本文提出采用分形维数对其进行表征,最后重点研究热结构制造缺陷的形貌定量分布规律.
C/SiC复合材料的损伤失效行为与内部微细观组分的原位力学性能的密切相关.本文通过多尺度建模结合渐进损伤分析,研究了微观界面层断裂韧性对C/SiC宏观拉伸强度的影响.微观渐进损伤分析表明不同界面层韧性可以产生两种损伤扩展模式,显著改变纤维束横向拉伸和轴向剪切强度值;基于三维Hashin准则的细观损伤分析进一步表明会对C/SiC的宏观拉伸强度产生 8.2%的影响.本文的结果可以为C/SiC复合材料失效分析及优化设计提供支撑.
