随着航天事业飞速发展,对结构件可靠性要求越来越高,针对航天结构件-整流罩的设计,铰链的使用非常关键,虽然其结构简单,但承载能力大,动作可靠性要求高。航天结构中动作机构越少越简单,其使用可靠性也就越高。在合理设计的情况下,塑性铰的使用能够增加航天结构的安全储备,节省原材料,提高服役可靠性。因此,开展航天结构塑性铰的精确转动与开关型断裂研究就显得非常必要。本文基于塑性变形、损伤力学与断裂力学理论,采用分析推导、试验研究与有限元模拟相结合的方法,对材料变形过程的损伤与断裂问题开展基础研究。首先,针对航天结构塑性铰的备选材料,通过Hollomon、Swift和Voce本构模型研究,提出了新的能够预测拉伸变形各阶段加工硬化行为的表征参数及其在不同坐标系下的表现形式;其次,基于连续损伤力学与断裂力学知识,提出了韧脆性竞争的断裂判据,并通过缺口件的单轴拉伸试验与有限元模拟,研究了应力集中系数对材料拉伸断裂机制与变形断裂行为的影响;然后,针对多轴复杂应力状态,改进了Mohr-Coulomb椭圆断裂准则,阐明了材料内禀参数?对断裂轨迹的影响规律,预测了7050高强铝合金的断裂成形极限图;随后,通过耦合Hill48准则与改进的椭圆断裂判据,表征了各向异性板坯的变形断裂行为,研究了材料各向异性对7050高强铝合金断裂轨迹与成形极限的影响。最后,将航天结构塑性铰模型化,通过对缺口板试样与开槽缺口试样进行三点弯曲试验与模拟分析,揭示了缺口半径与缺口类型对弯曲失效角的影响规律,并进行了可靠性分析。针对塑性铰备选材料(高速钢、不锈钢、铝合金、钛合金与镍基合金)的变形硬化行为、变形损伤能力以及断裂特征等开展研究,提出了能够预测拉伸变形各阶段加工硬化行为的表征参数_p?及其在不同坐标系下的表现形式。研究表明:Hollomon和Swift方程具有非饱和特征,Voce方程在描述大应变时具有饱和特征;Swift方程与Voce方程线性加权获得的S-V方程能够用于颈缩等非均匀变形的应力-应变关系描述;Hollomon方程用分段拟合预测的屈服强度更优于整体拟合,而Swift方程用整体拟合预测的屈服强度更优于分段拟合;Voce方程无论是分段拟合、还是整体拟合,获得的抗拉强度精度都较高,误差控制在了±5%以内。针对材料的变形损伤过程,基于R-T模型与弹性应变能密度提出了一种韧脆性竞争的断裂判据,结合单轴拉伸试验与有限元模拟,对不同应力集中系数下的7050高强铝合金试样进行了变形损伤与断裂过程分析,定量化描述了平均应力三轴度、平均罗德参数与弹性应变能密度和变形损伤的关系。研究表明:材料内禀特性(断裂韧性、弹性模量、泊松比)、变形损伤与结构件几何特征等共同影响着试样的断裂过程;理想光滑试样先由中心形成微缺陷与孔洞,而后向边缘发展,最终剪切断裂;而弧形缺口与V形缺口试样的应力集中系数越大,就越容易达到临界弹性应变能密度从而发生脆性断裂;平均罗德参数在-0.4与-0.2之间时是发生断裂失效的危险区域,并由韧性损伤与脆性断裂共同竞争影响其断裂机制。针对多轴复杂应力状态,提出了一种改进的Mohr-Coulomb椭圆断裂准则,预测了7050高强铝合金板坯在不同应力与应变空间的断裂轨迹,形成了断裂成形极限图。并通过体变能密度与形变能密度对变形损伤与断裂行为的影响,推导出了材料内禀参数?平方和材料剪切模量与体积模量之比的关系式,同时获得了材料内禀参数?与泊松比之间的计算式,给出了区分材料承载变形韧脆性的临界泊松比判据为2/7。研究表明:应力三轴度在-0.677~-0.33范围内,改进的椭圆断裂判据预测的断裂轨迹更接近于试验数据;断裂轨迹随材料内禀参数?的变化表现出的非对称性与材料拉、压应力状态下的变形失效和断裂机制有关。针对材料的各向异性,耦合Hill48准则与修正的椭圆断裂判据,研究了各向异性参数对7050高强铝合金板坯变形路径与断裂轨迹的影响。研究表明:材料各向异性参数对断裂轨迹的影响,实质上是各向异性对Huh参数T的影响;在罗德参数_eL(28)1时,断裂应力随F与G的增大而增大;在_eL(28)-1时,断裂应力并不随H和N的改变而改变;45o取向时的断裂轨迹不受H参数的影响,且0o和90o取向时的断裂轨迹不受N参数影响;分析比较发现,_eL(28)-1和_eL(28)0时的各向异性参数对断裂轨迹的影响较大,而_eL(28)1时的各向异性参数对断裂轨迹却没有影响;由于各向异性参数G和H的影响,90o取向时的成形断裂应力在_eL(28)-1时最小,且发现90o取向上的材料强度较大,但成形能力却较低。针对塑性铰的工程应用,开展了缺口板试样与开槽缺口试样的三点弯曲试验与有限元模拟研究,分析讨论了塑性铰的变形过程与断裂机制,揭示了缺口半径与缺口类型对塑性铰弯曲失效的影响规律,并采用响应函数与蒙特卡洛法,对三点弯曲形成的塑性铰断裂过程进行了可靠性分析。研究表明:两种缺口板试样的有效组合可以全面覆盖弯曲失效角的设计范围;较小开槽或缺口半径可以获得较好开关型断裂特性,而较大开槽或缺口半径可以获得优异的转动特性;缺口板的转动可设计性不好,但断裂开关型特征明显,适合大角度的转动,而开槽缺口试样的转动可设计性较好,但断裂时的开关型特征较差,适合小角度的转动。