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。     

国产HTPB复合推进剂裂纹扩展特性的实验研究

依据Ｓｃｈａｐｅｒｙ Ｒ Ａ＾（１）的粘弹性断裂理论，对国产ＨＴＰＢ复合推进剂进行了Ｉ型裂纹扩展实验。分析了裂纹扩展的特性，表明裂纹扩展开始时存在临界应力强度因子ＫＩｃ。得出该型推进剂裂扩展速率ｄａ／ｄｔ与应力强度因子Ｋ１间的幂函数关系式。讨论了该推进剂材料断裂能Г与裂纹扩展速率的关系。     

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。     

含Ⅰ型裂纹复合固体推进剂双轴拉伸实验研究

开展了复合固体推进剂含Ⅰ型裂纹拉伸实验研究。采用不同拉伸速率,获得双向拉伸极限特性主曲线和应力—应变破坏曲线,为推进剂材料破坏分析的经验准则提供判据。结果表明,如果复合固体推进剂的断裂阻力被看作是材料常数,则裂纹驱动力必受到平行于裂纹之应力的影响,在一定范围内裂纹驱动力与平行应力成反比关系。当平行应力超过屈服应力以后,因平行应力太大超过了损伤阀值,在推进剂中造成了损伤,从而断裂韧性下降。     

基于内聚力模型的改性双基推进剂断裂特性研究

为了研究改性双基推进剂的Ⅰ型断裂性能,进行了该推进剂材料的三点弯曲试验及单轴拉伸试验,初步获取了材料的断裂强度及断裂能参数。基于内聚力模型构建材料断裂本构方程,应用于三点弯曲断裂有限元仿真分析,得到仿真加载点载荷-位移曲线,并采用反演优化算法对内聚参数进行修正,获取最终准确模型参数。为验证模型准确性,进行了不同初始裂纹长度下的三点弯曲试验及仿真。结果表明模型能够较好地描述实际裂纹扩展过程中的载荷-位移特性及裂纹扩展特性,仿真结果与试验结果误差小于7.6%,证明该模型的有效性。     

固体推进剂燃烧断裂边界二维流场特性

在高温、高压的对流燃烧条件下,固体推进剂的断裂扩展是一个十分复杂的非线性非平衡不可逆的热力学耦合过程,裂纹对流燃烧流场与裂纹的变形、扩展之间存在着强耦合作用。以二维粘流Ｎ－Ｓ方程着重模拟了固体推进剂燃烧断裂边界二维流场特性,并和一维结果进行比较,全面展示了燃烧断裂动力学边界的时变特性,为燃烧断裂扩展模式的后续研究提供参考。     

固体推进剂裂纹燃烧扩展耦全的基本模式

通过对半无限板边裂纹的零维对流燃烧和变形扩展的模拟分析,揭示了固体推进剂裂纹燃烧扩展耦合的基本模式,燃烧流场和裂纹变形扩展相互作用,推进剂塑性变形对燃烧性能的影响,为燃烧断裂的深入研究提示了方向。     

固体推进剂裂纹燃烧扩展耦合的基本模式

通过对半无限板边裂纹的零维对流燃烧和变形扩展的模拟分析,揭示了固体推进剂裂纹燃烧扩展耦合的基本模式：燃烧流场和裂纹变形扩展相互作用,推进剂塑性变形对燃烧性能的影响,为燃烧断裂的深入研究提示了方向。     

固体推进剂双向拉伸试件优化设计及试验

基于Kelly提出的十字形试件,设计了一种新型固体推进剂双向拉伸试件。利用ANSYS有限元软件对试件双向加载过程试验区中引起的应力应变的数值模拟,实现了十字形试件的优化设计,经过优化的试件在满足双轴试验要求方面有了明显的改进。通过对丁羟复合固体推进剂试件双向加载力学行为试验研究,获得不同拉伸速率双向拉伸应力—应变破坏曲线,为推进剂材料破坏分析的经验准则提供判据。结果表明,固体推进剂断裂延伸率的双向弱化效应很明显,双向加载比例为等双拉状态时,其双向断裂延伸率比单向断裂延伸率降低37.5%。     

AP/Al/CMDB推进剂的断裂特性实验研究

开展了关于AP/Al/CMDB推进剂在2mm/min拉伸速率下的断裂实验研究,利用CCD光学显微镜实时监测了裂纹的起裂与扩展过程,并阐述了裂尖材料的损伤演化机理;结合电镜扫描(SEM)技术对推进剂的断面形貌进行了表征,分析了大粒径高氯酸铵(AP)的微观结构演化机理;采用积分法获得推进剂的断裂能。结果表明:推进剂在起裂与扩展过程中裂尖区域材料存在明显的损伤现象,AP颗粒的脱湿行为主导着微孔洞和微裂纹的萌生、成核、长大、合并过程,表征着推进剂的断裂机理,并控制着推进剂的非线性断裂特性;采用积分法获得推进剂在2mm/min拉伸速率下的断裂能为1.765±0.025N/mm。     

CSM玻璃钢层间剪切断裂

 本文对CSM-GRP层间剪切断裂用实验与分析方法进行了研究。用英国标准BS4994规定的双槽试件拉剪法测量了层间剪切强度（ILSS）。用有限元法计算了应力分布、损伤扩展和复合型应力强度因子。并讨论了BS4994规定的这一试验方法的可靠性。     

二维广义J积分

 本文从总位能差率出发推导出了在非均匀温度场中承受面力与体力的变厚度板的广义J积分,并证明了广义J积分的守恒性。     

断裂力学在直升机桨毂上的应用

 本文用实验方法,得出了计算弯曲载荷下含表面裂纹圆轴、圆筒的应力强度因子（K_I）的表达式,并按照裂纹面积扩展率公式,分析了直升机桨毂转轴轴颈的临界裂纹面积和剩余疲劳寿命。为了校核断裂力学分析的可靠性,模拟飞行状况进行了实际桨毂支臂转轴轴颈的疲劳试验。实验结果与计算结果相当符合。     

燃烧固体药柱内腔表面的典型裂纹及其力学行为

根据燃烧环境中高装填固体推进剂药柱内应力的分布特征,提出了药柱内腔表面的两种典型裂纹, 即横向表面裂纹和纵向表面裂纹, 并分别采用方坯药柱和圆盘药柱表面预制的裂纹进行了模拟。比较燃气作用下两种药柱的有限元分析结果, 明确了挤裂模式对于燃烧环境中固体药柱表面裂纹问题的适用性。这些结论与实验观测现象非常吻合, 对实际发动机工作环境中固体药柱表面裂纹的力学行为预示和故障分析有着重要的指导意义。     

重合网格法在复合材料分层问题中的应用

使用重合网格法(S-FEM)分析了混合模态下CFRP层合板分层问题。首先将虚裂纹闭合技术集成到S-FEM程序中,求解了复合材料分层尖端处的应变能释放率。然后把重合网格法数值结果与基于梁理论的计算结果及实验数据进行了比较。结果表明,对于单方向及多方向CFRP复合材料层合板,重合网格法都能够得到更精确的数值,是一种有效的计算复合材料裂纹尖端应变能释放率的方法。     

基于能量模型的三维穿透裂纹扩展研究

利用能量释放率与应力强度因子的关系,给出了裂纹尖端的有效能量释放率;裂纹稳定扩展时有效能量释放率恰好等于裂纹扩展阻力,利用裂纹尖端前沿各点的有效能量释放率相等关系,提出了一种基于能量模型的三维穿透裂纹扩展形貌计算方法,可以计算不同厚度试样的三维穿透裂纹扩展形貌,并通过不同厚度单侧裂纹板的有限元仿真计算和试验进行了验证.仿真与试验结果表明:利用基于能量模型的三维穿透裂纹扩展形貌计算方法可以确定三维结构的裂纹扩展形貌;随着单侧裂纹板厚度的增加,裂纹尖端“隧道效应”消失,裂纹扩展形貌转变为“马鞍”形;试样自由面处的裂纹扩展速率要小于中面处的裂纹扩展速率.      

圆管孔边角裂纹剪切型应力强度因子的封闭解

 在飞机全动平尾大轴中,经常出现孔边角裂纹。本文提出了一种新的工程-解析方法,导出了飞机平尾大轴孔边角裂纹剪切型应力强度因子的封闭解。这种能量释放方法非常节省机时与人力,可以获得大量系统的新结果。     

腐蚀系数对化铣表面长裂纹扩展影响的定量分析

承受拉伸载荷的试件在化学铣切圆角的根部应力集中,最易产生表面裂纹.本文给定化铣表面初始裂纹的长度,假设其形状为半圆,采用有限元法完成不同腐蚀系数下的长裂纹前沿不同计算点的多个应力强度因子分析;并用Forman扩展率公式计算给定应力比时长裂纹的扩展长度和形状.研究发现,长裂纹前沿应力强度因子表面大内部小;随着循环载荷周次的增加,圆形裂纹有向椭圆裂纹发展的趋势,采用线性回归方法得到不同腐蚀系数下椭圆长短半径比按二次曲线关系随长裂纹扩展寿命变化,直至裂纹进入失稳扩展阶段.     

稳态热载荷作用下热障涂层结构界面断裂研究

针对陶瓷层与黏结层构成的双层热障涂层结构存在单边界面裂纹的情况,利用虚拟裂纹闭合技术(VCCT)计算了稳态热载荷作用下结构的能量释放率,根据计算结果研究了单边界面裂纹的扩展行为.给定结构的温度边界条件求解得到稳定温度场,并以此作为结构的热载荷,计算能量释放率时采用随温度变化的材料参数.计算结果显示,在给定条件下,界面裂纹起裂后结构总的能量释放率大于界面断裂韧度,裂纹将进行失稳扩展;在裂纹扩展至接近自由端面时总能量释放率迅速减小并降到界面断裂韧度以下,裂纹不扩展.分析表明,处于高温稳态热载荷条件下的热障涂层系统,不会发生陶瓷层彻底剥落的失效现象.      

含裂纹复合材料单向板的断裂分析

 针对纤维增强复合材料单向板的脆性断裂,建立了能量释放率分析模型,提出了断裂准则。并分析了一种玻璃/环氧复合材料单向板的断裂。结果表明:理论预测的临界载荷和实验结果吻合良好。