● 摘要
刚性隔热材料纤维增强气凝胶具有密度小，热导率低等特点，用于制造高速飞行器表面热防护系统，起到隔热和承载作用。针对其脆性、粉末、低强度等特征，设计了面内剪切、层间剪切、拉伸和压缩夹具，测试相应力学性能。其中，面内和层间剪切夹具使用双轨法，并通过粘接方式固定试件。拉伸夹具同样使用粘接方式，并且能沿两个方向小角度自由转动，耦合试件制造及定位误差。压缩夹具中引入球轴承，补偿安装定位偏差。通过对刚性隔热材料纤维增强气凝胶（以下均简称：纤维增强气凝胶）进行拉伸、压缩试验，发现纤维增强气凝胶的弹性模量和强度都很低。而且，垂直于纤维铺层方向的强度和模量低于纤维铺层面内方向，纤维铺层面内各方向的弹性模量和强度基本相似，佐证了纤维增强气凝胶材料关于纤维铺层面内横观各向同性假设。结合数字图像相关法，计算拉伸、压缩载荷下各个方向上的泊松比。值得注意的是，不同于金属材料，纤维增强气凝胶在拉伸、压缩载荷下的弹性模量和泊松比不再相同。在此基础上，引入双模量本构关系。区别于常用的全量法迭代方式，本文发展出以增量法方式进行迭代的用户材料子程序（UMAT），嵌入到有限元软件ABAQUS中。在验证了增量法的可行性后，针对典型算例，对比了增量法与全量法的收敛精度和速度，得出了增量法优于全量法的结论。同时，分析了在加速收敛时，将平面二维本构方程增广为三维引入剪切模量的方式，只是利用了二阶对称张量性质，否定其具有物理意义。利用发展出的增量法，针对于双模量材料的Iosipescu剪切试件，进行缺口参数和载荷优化。结果表明，缺口参数影响微弱，修正位移载荷可以很好的改善应力状态。最后，使用面内、层间剪切夹具，对于不同缺口参数的试件进行测试，获取剪切性能。对于面内剪切情形，利用数字图像相关法获取测试区域的应变云图，对比有限元双模量计算结果，验证关于纤维增强气凝胶材料的双模量假设。