关于“应变隔离垫在热防护系统拉伸载荷下力学行为的实验研究”的学术报告

本文介绍一项由中国北京理工大学航天工程学院及北京结构与环境工程研究所可靠性环境工程技术实验室的研究团队完成的研究。主要作者包括马绪陆 (Maoxu Lu)、吴振强 (Zhenqiang Wu)、郝自清 (Ziqing Hao) 以及刘流 (Liu Liu, 通讯作者)。该研究以题为“Experimental investigation of the mechanical behavior of the strain isolation pad in thermal protection systems under tension”的论文形式，发表于2024年4月12日的开源期刊 Aerospace 第11卷第305期。

学术背景 此项研究属于可重复使用高超声速飞行器热防护系统 (Thermal Protection System, TPS) 关键材料与结构的力学行为研究领域。高超声速飞行器在高速飞行过程中面临严酷的气动加热问题，其TPS是保障飞行器结构完整性的关键。其中，刚性隔热瓦TPS是一种常见形式，通常由表面涂层、刚性隔热瓦、应变隔离垫 (Strain Isolation Pad, SIP) 和飞行器蒙皮（主结构）四部分组成。SIP是一种由耐热纤维（如芳纶纤维）制成的低模量柔性垫层，通过硅胶黏合剂粘接在刚性隔热瓦和金属主结构之间。其核心功能是协调刚性隔热瓦（脆性材料，失效应变小）与金属主结构（延性好）之间因热膨胀和载荷引起的变形不匹配，防止隔热瓦因过大的约束应力而损坏。因此，SIP在厚度方向上的拉伸力学性能，包括静强度、变形协调能力以及长期服役下的疲劳性能，直接关系到TPS的可靠性和飞行器的可重复使用性。然而，现有研究对SIP接头的失效机理、在交变载荷下的损伤演化、以及考虑其非线性本构行为的疲劳寿命预测模型方面尚存不足。本研究旨在阐明SIP接头在厚度方向拉伸载荷下的失效机制，建立宏观本构模型，并评估其疲劳特性，特别是提出新的疲劳失效指标和寿命预测方法。

详细工作流程 本研究包含三个主要实验部分及相应的数据分析与建模工作，研究对象均为粘接有0.2毫米厚硅胶黏合剂的铝-SIP-铝接头试样。 1. 单调拉伸实验：此步骤旨在获取SIP接头的基本力学性能和非线性本构关系。 * 试样与准备：SIP由芳纶纤维丝通过气相分散、叠层至特定面密度后针刺成平面织物制成。将其切割为25 mm × 25 mm的正方形，两面均匀涂覆硅胶黏合剂后与铝合金块粘接，在60 kPa压力下室温固化两天制成标准拉伸试样。 * 实验方法：实验在室温下进行，采用万能伺服液压试验机 (MTS 810) 和符合ASTM C297/C297M-04标准的夹具。加载速率为1.0 mm/min，直至试样失效。同时使用线性可变差动变压器 (LVDT) 和试验机内置位移传感器测量位移，并记录载荷-位移曲线。通过高速相机记录变形过程。 * 数据分析与建模：基于实验获得的载荷-位移曲线（显示出显著非线性），研究团队提出了一种基于互补应变能密度函数的宏观本构模型来描述SIP材料的应力-应变关系。该模型采用完全多项式形式，并简化为仅包含沿厚度方向拉伸非线性项的表达式。由于应力应变分布不均匀，团队没有直接拟合平均应力-应变数据，而是采用了有限元模型修正方法这一新颖方法进行参数识别。他们建立了包含铝块、黏合剂和SIP层的三维有限元模型，将本构模型通过用户子程序UMAT嵌入，通过迭代调整本构参数（s11， s3， s5），使有限元模拟得到的载荷-位移曲线与实验曲线（从线性阶段开始，避开初始分散区）最佳吻合，从而反演出SIP材料的非线性应力-应变关系。

1. 拉伸加卸载实验：此步骤研究循环载荷初期（小于100次循环，即超低周疲劳阶段）SIP接头的变形累积行为（棘轮效应）。

   • 实验方法：使用与单调拉伸相同的实验装置和试样，在不同峰值循环应力水平（以与平均极限应力的比值sσ_peak表示，如0.8， 0.7， 0.3）下进行拉伸加卸载循环，记录应力-应变滞后回线。
   • 数据分析方法：观察发现，在初始少数循环后，残余应变随循环次数近似线性增长，且滞后回线形状基本不变，这表明存在显著的短时棘轮效应。为了量化这种由循环载荷引起的残余应变，研究团队创新性地提出了一种基于修正诺顿 (Norton) 蠕变定律的数据分析方法。他们将一个载荷周期内的时变应力历程代入经典的诺顿蠕变方程，并假设在极短时间步长内，蠕变应变与应力保持时间呈线性关系，通过泰勒展开和离散时间积分，推导出可用于计算一个周期内由棘轮效应引起的残余应变累积的公式，并通过实验数据拟合确定了模型中的材料常数。

2. 高周疲劳实验：此步骤研究SIP接头在恒定幅值拉伸疲劳载荷下的寿命和厚度演化规律。

   • 实验方法：在室温下进行恒定幅值拉伸疲劳试验，应力比R=0.1，频率f=10 Hz，设置疲劳寿命截止值为10^6次循环。在多个峰值应力水平（sσ_peak = 0.3, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8）下进行测试，每个应力水平进行至少三次重复试验（sσ_peak=0.3除外）。
   • 数据采集：持续监测并记录每个疲劳循环中的最大和最小轴向位移。
   • 数据分析方法：基于记录的位移数据，定义了SIP接头在第i次循环时的厚度增长量Δti。通过分析厚度增长量Δti以及厚度增长率（Δti/ni）与循环次数ni（对数坐标）之间的关系，寻找疲劳损伤演化的特征点。

主要结果 1. 单调拉伸结果： * 实验获得的载荷-位移曲线表现出高度非线性特征：初始阶段存在一个低模量区（对应芳纶纤维从卷曲缠绕状态被拉直的过程），随后进入近似线性阶段，最后模量逐渐降低直至破坏。 * 所有试样的破坏均起始于靠近黏合剂/SIP界面拐角处，这是由该处的应力集中和边缘效应导致的。破坏断面显示出芳纶纤维均匀断裂的形貌，表明破坏本质是纤维断裂，而非界面脱粘。 * 平均失效应力为1.71 MPa，平均失效应变为0.28。失效应变的离散系数高于失效应力。 * 通过有限元模型修正法成功识别了SIP的非线性本构参数（如s11=0.143， s3=-0.0453， s5=0.0736）。利用该本构模型进行的有限元模拟能很好地复现实验载荷-位移曲线。应力云图分析直观证实了界面拐角处存在最高的法向应力，从机理上解释了实验观察到的失效起始位置。

1. 加卸载与棘轮效应结果：

   • 在最初少数循环（<20次）内，滞后回线面积和残余应变急剧增加，之后回线形状趋于稳定，但整体回线持续向应变增大的方向平移，表明残余应变（即厚度方向永久变形）持续累积。
   • SEM图像对比证实，加卸载过程使SIP内部纤维缠结紧密度下降，纤维间间隙增大，这从微观结构上解释了厚度增长的原因。
   • 实验数据表明，当循环次数小于100时，残余应变与循环次数呈近似线性关系，其斜率与峰值循环应力相关。
   • 应用提出的修正诺顿模型进行拟合，得到了描述短时棘轮效应引起的残余应变公式：ε(t) = 0.071σ(t)^5.11 t。该模型预测结果与不同应力水平下的实验数据吻合良好，证明了该方法的有效性。

2. 高周疲劳结果：

   • 疲劳破坏模式与单调拉伸破坏模式相同，均始于黏合剂/SIP界面附近的芳纶纤维断裂。
   • SIP接头的厚度随疲劳循环次数的增加而持续增长。其演化规律呈现典型特征：在疲劳早期增长缓慢，到达某个转折点后增速急剧加快，直至最终破坏。
   • 关键发现是，厚度增长率（Δti/ni）的对数值与循环次数（对数坐标）的关系呈现明显的双线性特征。即存在一个临界循环次数n*f，在此之前，log(Δti/ni)随log(ni)线性下降；在此之后，log(Δti/ni)随log(ni)线性上升。
   • 研究团队创新性地提出将此双线性曲线的转折点（即n*f）定义为SIP接头的拉伸疲劳寿命指标。这是一个保守的失效预警指标，意味着当循环次数达到n*f时，虽然接头尚未发生最终破坏，但其厚度将开始加速增长，预示着破坏即将发生。
   • 通过数据拟合，建立了厚度增长率与循环次数、峰值应力比之间的显式表达式（如公式16a， 16b所示）。并进一步推导出疲劳寿命指标n*f与峰值应力比sσ_peak之间的预测模型：log(n*f) = -13.95 log sσ_peak + 1.89。该模型预测的寿命与实验获得的实际疲劳寿命（Nf）相比，处于一个标准差的误差范围内，验证了模型的有效性。例如，模型预测在sσ_peak=0.3时，疲劳寿命指标约为10^6次循环，这与实验中该应力水平下试样达到10^6次循环未破坏（run-out）的结果一致。

结论与价值 本研究通过系统的实验和理论分析，深入揭示了SIP接头在厚度方向拉伸载荷下的复杂力学行为。主要结论包括：1）SIP接头的拉伸行为具有高度非线性，破坏始于黏合剂/SIP界面拐角处的纤维断裂；2）在循环载荷初期，短时棘轮效应是导致残余应变（厚度增长）的主要原因，并可用修正的诺顿模型量化；3）SIP接头的疲劳过程伴随着厚度的持续增长，其增长率在双对数坐标下呈双线性演化；4）提出以厚度增长率转折点对应的循环次数作为新的、保守的疲劳寿命指标，并建立了相应的疲劳寿命预测模型。 本研究的科学价值在于深化了对SIP这种非线性柔性复合材料接头在静态和疲劳载荷下失效机理与损伤演化规律的理解，提出了创新的数据分析方法（有限元模型修正法、基于修正蠕变定律的棘轮应变量化法）和疲劳失效判据（厚度增长率转折点）。其应用价值突出体现在为可重复使用高超声速飞行器热防护系统的耐久性设计、健康监测与剩余寿命评估提供了重要的理论依据和实用的预测工具。所建立的模型和方法亦可推广用于表征SIP接头在其他载荷模式（如面内剪切、压缩等）下的力学性能。

研究亮点 1. 系统性实验研究：涵盖了从静态拉伸、加卸载到高周疲劳的完整力学行为测试，全面揭示了SIP接头的非线性、棘轮效应和疲劳特性。 2. 创新性分析方法： * 采用有限元模型修正法识别SIP的非线性本构参数，避免了直接使用不均匀场平均值的误差。 * 提出基于修正诺顿蠕变定律的方法，成功量化了循环载荷初期的短时棘轮应变，为理解非金属柔性材料的循环变形提供了新思路。 3. 新颖的疲劳失效指标：突破传统基于刚度退化或最终断裂的疲劳判据，首次提出以“厚度增长率对数-循环次数对数”关系曲线中的转折点作为SIP接头的疲劳寿命指标，这是一个具有明确物理意义（厚度加速增长）且便于工程监测的预警指标。 4. 实用的预测模型：基于上述新指标，建立了与峰值应力水平相关的疲劳寿命预测模型，预测结果与实验吻合良好，具备工程应用潜力。

其他有价值内容 研究在讨论部分指出，由于实验条件限制，目前提出的方法主要适用于低频单轴拉伸疲劳寿命预测。未来的研究需要进一步探索SIP接头在高频、多轴应力状态及不同应力比下的疲劳行为，以完善其在实际复杂服役环境下的性能评估体系。