新增表面等效作用力模拟固体推进剂裂纹动态扩展

固体推进剂作为线粘弹性材料在裂纹扩展过程中,外力和体力对体系作功的同时,材料的粘性内耗散和断裂表面能释放使体系能量降低。将裂纹扩展新增表面上等效作用力的概念引进有限元中,计算裂纹扩展过程中的应力强度因子和断裂表面能释放对体系应力应变场的影响,从而使得有限元可以模拟计算固体推进剂裂纹的动态扩展过程,解决了固体推进剂非定常燃烧扩展模拟中的难题。     

直升机发动机部件裂纹扩展寿命估算研究

本文基于应力强度因子理论分析,给出了裂纹断裂和扩展程度的预测方法并导出了裂纹断裂临界尺寸公式;通过描述裂纹扩展速率的Paris公式,导出了裂纹扩展寿命计算公式,最后给出了某型直升机发动机部件裂纹扩展寿命估算的实例。     

基于模态频率的V型缺口梁裂纹扩展速率模型

针对机械结构裂纹扩展预测问题，研究了基于模态频率下降率的V型缺口梁裂纹扩展速率模型。设计了V型缺口梁的疲劳裂纹扩展实验系统，完成了4个试件的模态频率和裂纹扩展实验测试。基于实验结果，讨论了影响V型缺口梁裂纹扩展行为的因素，应用Pairs模型拟合了V型缺口梁的裂纹扩展速率方程，探讨了模态频率下降率与应力强度因子的关系。结合模态频率下降率与裂纹扩展长度及循环加载次数的关系，建立了基于模态频率下降率的裂纹扩展速率模型。结果表明，V型缺口梁的裂纹扩展速率随模态频率下降率增加单调递增，裂纹尖端的应力强度因子幅值也随模态频率下降率增加单调递增，基于模型预测的裂纹扩展速率与实验结果基本吻合。所提出的基于模态频率的裂纹扩展速率模型有助于梁的裂纹扩展监测。     

有机玻璃疲劳裂纹扩展表达式及控制参量

将用于建立金属材料疲劳裂纹扩展关系式的静态断裂模型引入有机玻璃裂纹扩展行为的研究中,得到了在近门槛区、中部区和快速扩展区都能较好地与实验结果相吻合的疲劳裂纹扩展速率表达式。该关系式揭示了疲劳裂纹扩展速率和应力强度因子与弹性模量、门槛值和断裂韧性之间的内在关系,式中不含无明确物理意义的待定系数,是较为完善的表达式。认为有机玻璃疲劳裂纹扩展的控制参量为 :有效应力场强度因子、门槛值与断裂韧性之比值及最大应力场强度因子与断裂韧性之差。     

DZ22小孔旁疲劳裂纹扩展的试验研究

研究了ＤＺ２２合金带小孔试样的疲劳裂纹扩展过程,给出了孔旁裂纹扩展速率ｄａ／ｄＮ与应力强度因子ΔＫ之间关系的试验曲线,并对断口形貌进行了分析。     

基于扩展有限元的改性双基推进剂的开裂过程模拟研究

为研究和模拟改性双基推进剂(CMDB)在准静态条件下的断裂特性,利用扩展有限元XFEM技术,建立了中心直裂缝含加载平台的圆盘形三维模型。基于线粘弹性理论,通过单轴拉伸实验直接获取改性双基推进剂的最大拉应力8.21MPa,作为仿真模型中裂纹粘聚区的断裂强度,模拟了固体推进剂在静态加载条件下裂纹实时扩展过程。结果表明实验和仿真过程中裂纹均首先呈I型扩展,最后以复合断裂形式扩展失效。讨论了推进剂在压缩断裂过程中裂纹扩展区的应力变化对裂纹扩展的影响,发现实验预期结果与仿真结果符合性良好,说明扩展有限元法能够为改性双基推进剂断裂过程的数值模拟提供新的方法。     

旋转状态下叶片振动应力的断口反推法

 提出了一种确定航空发动机叶片振动应力的新方法——断口反推法。该方法依据断裂力学的基本原理,从叶片实际断口测得裂纹疲劳扩展速率 da/d N值,并利用材料的裂纹扩展速率 da/d N同裂纹应力强度因子幅值 ΔK之间的关系,确定出叶片在振动应力作用下的振动应力强度因子;然后采用有限元数值计算方法对叶片进行静力分析、模态分析及裂纹应力强度因子计算,最后反推出叶片在旋转状态下振动应力值的大小。该方法根据叶片的实际断口情况计算出叶片在断裂之前的振动应力值,对于叶片的故障分析及故障排除将具有重要的意义。     

表面裂纹理论的回顾与评述(下)

本文简要地介绍了近几十年国内外表面断裂力学理论的发展状况及所取得的一些成果，重点介绍了应力强度因子求法和裂纹扩展速率的描述。同时对应用于圆柱体上的表面裂纹应力强度因子求法及裂纹扩展速率的描述等方面成果进行了评述。     

应力比对Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V合金疲劳裂纹扩展行为的影响

采用三点弯曲试样,对钛合金Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V在R=0.1,0.3和0.5三个应力比条件下的疲劳裂纹扩展行为进行研究,得到相应实验条件下的疲劳裂纹扩展速率,并结合断口分析探讨应力比R对该合金疲劳裂纹扩展行为和断裂机理的影响。结果表明:随着应力比R增大,Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V合金在同一ΔK时的疲劳裂纹扩展速率增大,裂纹扩展对应的应力强度因子ΔK范围和扩展门槛值ΔK_(th)减小;三个应力比R作用下试样的疲劳断口表面均可见一些疲劳台阶和二次裂纹;随着应力比R的增加,试样断口表面粗糙度增加,二次裂纹减小;在R=0.1,0.3和0.5三个应力比条件下的疲劳断裂均表现为穿晶断裂。     

关于表面裂纹理论的研究与进展(上)

本文简要地介绍了近几十年国内外表面断裂力学理论的发展状况及所取得的一些成果．重点介绍了应力强度因子求法和裂纹扩展速率的描述，同时对应用于圆柱体上的表面裂纹应力强度因子求法及裂纹扩展速率的描述等方面成果进行了评述。     

恒幅加载下7475-T7351铝合金的疲劳裂纹扩展行为

 本文进行了7475-T7351铝合金板材中心开裂试样恒幅加载宽范围应力比下的疲劳裂纹扩展试验。考虑到裂纹张开应力的确定是基于裂纹闭合概念进行裂纹扩展寿命预测的基础,且在工程应用中需要方便地确定有效应力强度因子变程△K_(ett)。本文通过疲劳裂纹扩展速率da/dN的试验数据导出了所研究材料的裂纹张开应力的经验表达式,进而用有效应力强度因子变程△K_(ett)来联系试验数据,得到对于不同应力比下裂纹扩展行为的统一描述。试验发现,无量纲裂纹张开应力S_(op)/S_(max)随所加最大毛应力水平的提高而降低。 断口分析表明,对于所试验的材料由拉伸型平断口向剪切型斜断口的转变主要受△K_(ett)控制,并注意到由拉伸型向剪切型裂纹增长的过渡对应着S_(op)/S_(max)增加的趋势。     

固体推进剂/衬层界面脱粘裂纹的三区域界面层模型

将固体推进剂/衬层粘结界面层按照剪切模量的变化分成三部分,由此建立了其界面脱粘裂纹的三区域界面层模型。应用Fourier积分变换和传递矩阵方法,推导并数值求解Cauchy奇异积分方程,得到了反平面剪切状态下裂纹问题的半解析解,并讨论了界面层模量和厚度对断裂参量的影响。结果表明,界面层模量随贮存时间的延长而降低时,应力强度因子逐渐减小,但裂纹张开位移变化不大;界面层厚度对应力强度因子的影响则不明显。     

应力强度因子变程相关的FGH97蠕变-疲劳裂纹扩展主导因素

利用扫描电镜对FGH97试件在750℃,应力比为0.05,不同保载时间和应力强度因子变程处的断口微观特征进行了观察,发现保载时间为90s时,随着应力强度因子变程提高,疲劳条带特征逐渐消失,可忽略疲劳载荷作用的应力强度因子变程值位于中等水平处;保载时间为450s和1500s时可忽略疲劳载荷作用的应力强度因子变程值更低.基于包含蠕变-疲劳交互项的3项式模型,引入时间相关和循环相关分量对蠕变-疲劳裂纹扩展试验数据进行了分析,发现不同保载时间下,时间相关分量与循环相关分量对总的裂纹扩展速率的贡献量与应力强度因子变程水平有关.基于分析结果,给出了时间相关裂纹扩展速率描述模型,并讨论了不同保载时间下影响裂纹扩展主导因素的应力强度因子变程值.      

Comparative study between crack closure model and Willenborg model for fatigue prediction under overload effects

A comparative study is performed between a crack closure model and the Willenborg model, which can calculate the fatigue crack growth rate under the overload effects. The modified virtual crack annealing (VCA) model is briefly reviewed, which is based on the equivalent plastic zone concept. In this method, the retardation phenomenon is explained by the crack closure level variation, which is derived from the interactions between forward and reverse plastic zones ahead of the crack tip. As a comparison, the Forman equation in conjunction with the Willenborg model is also reviewed. The retardation phenomenon is described by directly modifying the stress intensity factor. It is known that the large plastic zone created by the overload can decelerate the fatigue crack growth rate until the crack grows beyond this region. A relationship between the plastic zone and the modified stress intensity factor is developed, which is a mathematical fitting equation instead of physical-based formulation. The experimental data in aluminum alloys are used to val-idate these two models. Overall, good agreement is observed between the model predictions and the testing data. It is noted that the approach based on modified VCA model can give more accurate prediction curves than the Willenborg model.     

HTPB推进剂湿热老化规律及损伤模式实验

通过HTPB推进剂湿热老化实验,采用测定单轴定速拉伸条件下标准哑铃形试件声发射(AE)信号的方法,结合扫描电镜(SEM)断面观察结果,对HTPB推进剂的湿热老化规律和损伤模式进行了研究,给出了一个描述湿热老化性能变化规律的三阶段模型。实验研究表明:声发射信号累积计数对时间的导数的大小对应基体开裂、脱湿和宏观断裂三种损伤模式;同时水份破坏粘合剂和氧化剂的界面是导致脱湿关键因素,且水份在推进剂中的浓度与脱湿严重程度呈正相关。     

HTPB推进剂老化断裂性能试验

为研究老化对HTPB推进剂断裂性能的影响,开展了HTPB推进剂高温加速老化试验,测定了不同老化时间、老化温度下推进剂含Ⅰ型裂纹的断裂韧性值,并利用扫描电镜观测了推进剂断面微观形貌。结果表明：随着老化时间和老化温度的不断增加,推进剂断裂韧性值不断下降;老化时间越长和老化温度越大,拉伸速率越小,推进剂拉伸断面＂脱湿＂越严重,裂纹尖端处的＂脱湿＂较内部断面更严重。     

基于Hopkinson技术的CMDB推进剂动态起裂韧性实验

为了研究改性双基（CMDB）推进剂的动态起裂韧性,利用Hopkinson实验技术对CMDB推进剂的含切缝半圆形（NSCB）试件进行了冲击实验.运用脉冲整形技术,获得了CMDB推进剂的载荷-位移曲线.采用改进型柔度变化率法得到NSCB推进剂试件的起裂点.通过ABAQUS有限元软件对NSCB试件的无量纲结构因子进行了标定,并获得了NSCB的动态起裂韧性.利用电镜扫描设备分析了NSCB试件断裂的微观机理,研究结果表明:在加载率为5.41×105~8.94×105MPa·m1/2·s-1范围内,CMDB推进剂的动态起裂韧性具有显著的加载率敏感性.结合电镜扫描图分析,随着加载率的增大,断面内部颗粒微观结构的破坏形貌逐渐恶化,消耗的能量相应增大.      

聚硫推进剂燃烧条件下裂纹扩展过程的研究

研究了影响聚硫推进剂试件内裂纹扩展的各种因素。对含裂纹的推进剂试件进行了大量的燃烧试验,其燃烧过程用Ｘ射线实时成像系统进行了记录;并用粘弹性有限元方法计算了试件在燃烧过程中的应力应变状态,利用Ｊ积分法对裂纹扩展的可能性进行了预估。理论分析和试验结果均表明：燃烧室增压速率、裂纹尺寸、边界条件等因素对裂纹的扩展均有较强的影响。该研究结果对制定固体火箭发动机装药失效判据有一定的参考价值。