【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 態(tài)基體開裂，當(dāng)p174。165。時(shí)，u174。u0，這是穩(wěn)態(tài)開裂的解233。4(1+h)Efutu0249。s165。=p=234。 （16）R234。235。2f12因此，這種情況下得到的穩(wěn)態(tài)開裂應(yīng)力為一下限值。9140A2003 衛(wèi)星結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)技術(shù) 研究目的：面向未來(lái)大型航天器以及微小型航天器不同需求，發(fā)展自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)新材料的空間應(yīng)用，以此發(fā)展大尺度、超輕、高比強(qiáng)度、高比剛度的新型結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)技術(shù)9140A200301 新材料的空間應(yīng)用技術(shù)一 ．概述：先進(jìn)材料桔樹是指新出現(xiàn)和正在發(fā)展的，具有優(yōu)異特性和功能的，能滿足武器裝備需要的新材料技術(shù)。它是涉及材料的組成與結(jié)構(gòu)、制備與加工技術(shù)、材料性質(zhì)及服役性能兼相互關(guān)系的知識(shí)開發(fā)及應(yīng)用的科學(xué)與工程技術(shù)。先進(jìn)材料技術(shù)的國(guó)防科學(xué)技術(shù)，國(guó)防力量的增強(qiáng)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有重要推動(dòng)作用。在現(xiàn)代社會(huì)中，新材料已經(jīng)成為各工程領(lǐng)域的共性關(guān)鍵技術(shù)之一，是高技術(shù)的重要組成部分，也是最重要的發(fā)展最快的科學(xué)之一。先進(jìn)材料技術(shù)是發(fā)展武器裝備的物質(zhì)基礎(chǔ)和技術(shù)先導(dǎo)，是決定武器裝備性能的重要因素，也是拓展武器裝備新的功能和降低武器裝備服役期費(fèi)用，爭(zhēng)取和保持武器裝備競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的源動(dòng)力。新型武器裝備的發(fā)展起源對(duì)軍用材料技術(shù)的基礎(chǔ)研究提出的迫切要求：（1）．武器裝備的高性能比要求關(guān)鍵材料的高性能、高可靠性、低成本方向加快發(fā)展，其中較為迫切的是：航空發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間使用的高溫合金，適應(yīng)武器裝備輕質(zhì)比要求的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，具有強(qiáng)浸蝕與爆破后控制功能的戰(zhàn)斗空中材料，具有承載/透波、吸波、防熱、抗輻射等多功能的結(jié)構(gòu)功能一體化材料，滿足電子對(duì)抗要求的信息功能材料等開展服役環(huán)境下材料的基礎(chǔ)性研究是解決制約這類材料發(fā)展與應(yīng)用的突破口，將直接支撐先進(jìn)材料技術(shù)的預(yù)先研究。（2）．基礎(chǔ)性研究是科學(xué)技術(shù)的源頭，提高材料技術(shù)研究水平與制備能力，取得具有原創(chuàng)力和自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的科學(xué)技術(shù)成果，必須立足于基礎(chǔ)性研究。如材料設(shè)計(jì)理論與設(shè)計(jì)方法研究，材料制備新原理與新方法研究，材料測(cè)試與表征新原理與新方法研究，新概念材料研究等，是促進(jìn)軍用材料與技術(shù)的原始創(chuàng)造和提升材料應(yīng)用研究性的重要保障。先進(jìn)材料技術(shù)基礎(chǔ)的重要進(jìn)展往往直接導(dǎo)致新一代軍用材料的產(chǎn)生，并對(duì)武器裝備技術(shù)的突破產(chǎn)生重大影響。武器裝備預(yù)演基金中先進(jìn)材料技術(shù)領(lǐng)域的基本任務(wù)是以先進(jìn)材料技術(shù)軍事應(yīng)用為目的，開展材料的新概念、新原理、新方法、新技術(shù)的基礎(chǔ)性和前瞻性研究，為軍用先進(jìn)材料技術(shù)的發(fā)展提供科學(xué)理論依據(jù)和知識(shí)儲(chǔ)備。二 ．國(guó)內(nèi)外研究情況現(xiàn)代高技術(shù)的飛速發(fā)展為新型武器系統(tǒng)的研制和現(xiàn)有武器裝備及提供更高性能的先進(jìn)材料技術(shù)帶來(lái)了新的機(jī)遇。發(fā)展同和先進(jìn)的基礎(chǔ)工業(yè)水平為武器裝備用先進(jìn)材料的研制生產(chǎn)提供了保障。此外，發(fā)達(dá)國(guó)家還不斷強(qiáng)化材料技術(shù)對(duì)先進(jìn)武器裝備的物質(zhì)基礎(chǔ)作用和技術(shù)先導(dǎo)作用，其地位不斷提升。通過(guò)實(shí)施國(guó)家級(jí)研究計(jì)劃，發(fā)達(dá)國(guó)家正在大力推進(jìn)先進(jìn)材料技術(shù)的新一輪升級(jí)，以最大限度的提升材料的高性能以支撐武器裝備的高性能和高功能。美國(guó)國(guó)防部制定的面向21世紀(jì)的國(guó)防科技戰(zhàn)略規(guī)劃體系中，把材料與工業(yè)技術(shù)定為4個(gè)具有較高優(yōu)先發(fā)展的領(lǐng)域之一。美國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)針對(duì)美國(guó)21世紀(jì)國(guó)防材料需求設(shè)立了專項(xiàng)，重點(diǎn)開展與未來(lái)武器系統(tǒng)相關(guān)的材料基礎(chǔ)研究。發(fā)達(dá)國(guó)家先進(jìn)材料技術(shù)基礎(chǔ)研究的發(fā)展趨勢(shì)具有一下突出特點(diǎn)：（1）．復(fù)合化：通過(guò)微觀、細(xì)觀和宏觀層次的復(fù)合大幅度提高材料的綜合性能，復(fù)合材料技術(shù)是當(dāng)今先進(jìn)材料技術(shù)中發(fā)展最迅速的領(lǐng)域之一；（2）．多功能化：通過(guò)材料的純凈化、均勻化、超細(xì)化等精細(xì)控制，大幅度提高材料的強(qiáng)度、模量、韌性及其它物理和化學(xué)性能，為提高武器裝備的性能提供基礎(chǔ)；（3）．低成本化：通過(guò)節(jié)能，采用廉價(jià)源材料，改進(jìn)材料制備和加工技術(shù)，提高成品率和材料利用率等方法降低材料制備 加工 及應(yīng)用成本；同時(shí)材料技術(shù)的發(fā)展還使武器裝備的壽命不斷提高，維修費(fèi)用不斷降低，從兒降低武器裝備的全壽命周期費(fèi)用。低成本技術(shù)在材料領(lǐng)域是一項(xiàng)高技術(shù)含量的技術(shù)，對(duì)武器裝備的研制和生產(chǎn)具有越來(lái)越重要的作用。先進(jìn)材料技術(shù)的基礎(chǔ)研究在我國(guó)受到高度重視，如總裝備部設(shè)立的國(guó)家安全重大基礎(chǔ)研究計(jì)劃（國(guó)防‘973‘計(jì)劃），對(duì)具用重大軍事需求的關(guān)鍵材料開展前瞻性與基礎(chǔ)性技術(shù)研究，并且如重點(diǎn)基金，一般基金和相關(guān)實(shí)驗(yàn)室基金等不同層面的先進(jìn)材料前瞻性和基礎(chǔ)性研究。國(guó)家科技部的國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)性計(jì)劃（國(guó)家“973”計(jì)劃）專門設(shè)立了材料技術(shù)領(lǐng)域，重點(diǎn)支持面向國(guó)民經(jīng)濟(jì)材料要求的前瞻性研究。國(guó)家自然基金委工程與材料學(xué)部重點(diǎn)支持材料的基礎(chǔ)理論研究等。在上述計(jì)劃的支持下開展針對(duì)輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，樹脂基復(fù)合材料，超級(jí)高溫結(jié)構(gòu)材料，結(jié)構(gòu)功能一體化材料以及電子信息材料等方向的基礎(chǔ)研究對(duì)提高我國(guó)武器裝備，研制水平起到了重要的推進(jìn)作用，同時(shí)也促進(jìn)了這些材料新技術(shù)的應(yīng)用。經(jīng)過(guò)半個(gè)世紀(jì)的努力，我國(guó)軍用先進(jìn)材料技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)具有了一定的基礎(chǔ)和水平，縮短了與國(guó)際先進(jìn)水平的差距，部分領(lǐng)域已進(jìn)入國(guó)際先進(jìn)行列。但我國(guó)軍用先進(jìn)材料技術(shù)與國(guó)外整體水平還有較大差距，主要差距表現(xiàn)在：（1）．對(duì)未來(lái)高新武器裝備發(fā)展至關(guān)重要的關(guān)鍵新材料的基礎(chǔ)研究薄弱。對(duì)高性能輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料、高溫結(jié)構(gòu)材料、樹脂基復(fù)合材料透波、燒蝕等結(jié)構(gòu)功能一體化材料，電子信息功能材料等關(guān)鍵材料的基礎(chǔ)研究不足，影響了這些材料在武器裝備的應(yīng)用。（2）．基于微觀層次的材料設(shè)計(jì)理論和方法的基礎(chǔ)較薄弱。目前新材料研究以跟蹤研究為主，作用原創(chuàng)性基礎(chǔ)理論研究不足，新材料設(shè)計(jì)方向主要采用傳統(tǒng)的“試錯(cuò)法”。尚未達(dá)到基于微觀層次的科學(xué)的材料的設(shè)計(jì)階段，急需要開展材料優(yōu)化設(shè)計(jì)理論和方法的研究。(3)．對(duì)關(guān)鍵新材料在服役環(huán)境下的性能表征和評(píng)價(jià)方法基礎(chǔ)研究不足。在武器裝備超常環(huán)境下使用的一些關(guān)鍵新材料缺少有效的性能表征和評(píng)價(jià)方法，已經(jīng)成為新一代裝備發(fā)展的必須。(4)．新材料合成制備方法和新技術(shù)儲(chǔ)備不足，先進(jìn)材料技術(shù)對(duì)合成與制備過(guò)程的控制依賴性很強(qiáng)，我國(guó)軍用材料合成與制備新方法的發(fā)展主要處于跟蹤和模仿，新技術(shù)的創(chuàng)新與突破不多，迫切需要用材料合成與制備新理論和新方法支撐新材料的研制與開發(fā)能力的提高。(5)．軍用新材料的探索研究需要加強(qiáng)。基礎(chǔ)學(xué)科，如物理、化學(xué)生、物等學(xué)科研究的突破，往往成為新材料技術(shù)產(chǎn)生的源頭。緊密結(jié)合國(guó)內(nèi)外基礎(chǔ)學(xué)科的研究成果，探索和發(fā)明具有軍事用途的新材料與新技術(shù)，是先進(jìn)材料原始創(chuàng)造的重要途徑。功能梯度材料裂紋擴(kuò)展研究 隨著航天、航空等高新技術(shù)領(lǐng)域?qū)Σ牧弦蟮闹鸩教岣?，功能梯度材料隨之產(chǎn)生。因其獨(dú)特性能，在工程中得到了十分廣闊的應(yīng)用。深入研究功能梯度材料的力學(xué)行為，特別是載荷作用下的斷裂力學(xué)行為對(duì)于功能梯度材料的實(shí)際設(shè)計(jì)、制造以及工程應(yīng)用都有著十分重要的意義。為了適應(yīng)航空航天等高新技術(shù)領(lǐng)域?qū)Σ牧咸岢龅目量桃螅?984年日本材料科學(xué)家率先了提出功能梯度材料的概念。功能梯度材料的出現(xiàn)與發(fā)展，逐漸受到國(guó)際學(xué)者的關(guān)注。1990年到1996年，國(guó)際功能梯度材料顧問(wèn)委員會(huì)分別在日本、美國(guó)、瑞典等國(guó)家舉行了四屆功能梯度材料國(guó)際會(huì)議。近幾年來(lái)，美國(guó)、俄羅斯、德國(guó)、英國(guó)、瑞士、芬蘭及烏克蘭等國(guó)家也都相繼在不同的應(yīng)用領(lǐng)域開展了功能梯度材料的研究工作。近年來(lái)我國(guó)也認(rèn)識(shí)到開發(fā)研究功能梯度材料的重要性。隨著功能梯度材料的發(fā)展，其用途已由原來(lái)的航天工業(yè)擴(kuò)大到核能源、電子、光學(xué)、化學(xué)和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，其組成也由金屬－陶瓷發(fā)展為金屬－合金、非金屬－金屬、非金屬－陶瓷等多種組合，應(yīng)用前景十分廣闊。由于功能梯度材料的多方面的良好性能，其理論研究倍受人們關(guān)注。對(duì)于力學(xué)工作者，其破壞性能尤為受到關(guān)注。功能梯度材料的材料物性參數(shù)是空間坐標(biāo)的連續(xù)函數(shù)，并且該函數(shù)一般是可導(dǎo)的。因而，其裂紋尖端的應(yīng)力奇異性長(zhǎng)期以來(lái)一直受到人們關(guān)注。由于數(shù)學(xué)處理上的困難，目前所分析的大多數(shù)功能梯度材料靜態(tài)裂紋問(wèn)題一般都假設(shè)材料是各向同性彈性體，只有極少數(shù)文獻(xiàn)涉及到各向異性功能梯度材料的裂紋問(wèn)題。Ozturk和Erdogan采用指數(shù)函數(shù)的材料梯度分布形式，應(yīng)用奇異積分方程技術(shù)，研究了正交各向異性功能梯度材料I型平面裂紋問(wèn)題。對(duì)于更一般的各向異性材料梯度分布形式，求解將更加困難。目前，只有少量文獻(xiàn)涉及到在機(jī)械沖擊載荷下功能梯度材料的動(dòng)態(tài)斷裂問(wèn)題，且限于問(wèn)題的復(fù)雜性，這些文獻(xiàn)基本上都局限于功能梯度材料的III型裂紋問(wèn)題(反平面剪切或扭轉(zhuǎn))。王保林等對(duì)非均勻復(fù)合材料反平面裂紋問(wèn)題進(jìn)行了研究，他們的求解策略為：將非均勻材料沿厚度方向劃分為許多均勻材料單層，利用Laplace變換及Fourier變換求解各單層的運(yùn)動(dòng)方程，再利用剛度矩陣法表達(dá)界面應(yīng)力與界面位錯(cuò)密度函數(shù)的關(guān)系，推出控制問(wèn)題的奇異積分方程，最后利用虛位移原理得出裂紋尖端的動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子。Babaei等研究了功能梯度材料過(guò)渡層中裂紋的反平面剪切沖擊響應(yīng)問(wèn)題，結(jié)果顯示：動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子與裂紋自身長(zhǎng)度、裂紋與上下均勻材料之間的距離和材料特性等多種因素有關(guān)。李春雨等研究了無(wú)限大非均勻材料的單裂紋反平面剪切和扭轉(zhuǎn)沖擊響應(yīng)問(wèn)題。由于采用解析途徑分析功能梯度材料時(shí)常常要作較強(qiáng)的假定：例如裂紋處于無(wú)限大體；材料梯度分布形式為某些特殊函數(shù)；裂紋的取向平行或垂直于幾何邊界；材料變形為彈性變形等。為了計(jì)算更普遍的功能梯度材料，人們不得不借助數(shù)值方法。有限元方法理論成熟、技術(shù)完善，它已成為計(jì)算力學(xué)中解決工程問(wèn)題的主要計(jì)算方法。雖然如此，在用拉格朗日方法求解金屬?zèng)_壓成型、高速撞擊、裂紋動(dòng)態(tài)擴(kuò)展等涉及大變形的問(wèn)題時(shí)，有限元網(wǎng)格可能會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的扭曲，不僅需要重新劃分網(wǎng)格，而且也嚴(yán)中的影響了計(jì)算的精度；對(duì)于裂紋的動(dòng)態(tài)擴(kuò)展問(wèn)題，由于裂紋的擴(kuò)展方向不能事先確定，因而在計(jì)算過(guò)程中需要不斷地重新劃分網(wǎng)格以模擬裂紋的動(dòng)態(tài)擴(kuò)展過(guò)程；有限元近似基于網(wǎng)格，因此必然難于處理與原始網(wǎng)格不一致的不連續(xù)性和大變形；復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)的有限元網(wǎng)格的生成也是極具挑戰(zhàn)