基于统一强度理论的修正M准则及其在药柱裂纹预测中的应用

针对脆性材料,提出了最大应力三维度准则(M准则).为了将其推广到延性材料,引入俞茂宏统一强度理论定义裂尖塑性区,并修正了M准则中临界载荷的判据.采用WDN-10 kN材料实验机,在20 ℃和加载速率2 mm/min下,对含Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹的HTPB推进剂进行了单轴拉伸试验,得到了不同裂纹倾斜角下裂纹的启裂角和临界载荷.结果表明,与其他准则进行比较,推进剂裂纹的启裂角和修正的M准则预测的结果较为接近,说明可借助修正的M准则预测推进剂裂纹的初始启裂角.     

正交各向异性单向复合材料裂纹尖端塑性区求解

基于复合材料力学基本理论,推导了Tsai-Hill准则、Hoffman准则和Tsai-Wu准则在平面问题下的一般表达式,在平面应力和应变状态下,得到复合材料中心裂纹板裂纹尖端塑性区的解析解.结果表明,基于Tsai-Wu准则得到的Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅰ/Ⅱ复合型裂纹裂尖塑性区范围最小.平面应变状态下的裂尖塑性区范围小于平面应力状态下的裂尖塑性区范围.裂纹倾角β对复合材料裂尖塑性区范围和形状有明显影响,不同值得到的塑性区结果差别很大.不论是平面应力还是平面应变条件,裂纹尖端塑性区域都随着裂纹倾角的增大而增大.     

动态裂纹尖端塑性区的解析解

基于动态裂纹尖端应力场方程和Hill屈服准则,确定裂纹尖端塑性区的表达式,给出平面应力条件下Ⅰ/Ⅱ复合型动态裂纹尖端塑性区的解析解,分析了不同裂纹扩展速度下裂纹尖端塑性区的形状和大小.结果表明,Hill准则适用于正交异性材料和各向同性材料裂纹尖端塑性区的估算;裂纹扩展速度越快,裂纹尖端塑性区的范围越大,裂纹尖端塑性区的形状变化越大;Ⅰ型裂纹和Ⅱ型裂纹尖端塑性区的形状关于裂纹面对称;复合型裂纹尖端塑性区的范围和形状与m有关;对于同型裂纹,与正交异性材料相比,各向同性材料裂纹尖端塑性区的范围较大.     

固体推进剂复合型裂纹扩展数值计算

用粘弹性有限元法,分别以尖角形、椭圆形、圆形裂尖反映裂尖的变形,以最大周向应力准则和最大能量释放率准则作为裂纹扩展方向的判断依据,以J积分作为裂纹扩展的起始判据,计算了不同倾斜角裂纹的初始扩展方向.采用多个扩展步递增循环计算的方法,得到了不同倾斜角裂纹的扩展路径,并在扩展路径上设置粘结损伤单元,模拟了裂纹的动态扩展过程...     

HTPB推进剂粘聚断裂研究

为了预测推进剂药柱中裂纹的起裂和扩展过程,建立了HTPB推进剂的粘聚区本构模型和数值仿真方法。粘聚区本构模型参数分别使用单边裂纹拉伸实验、单轴拉伸实验和数值仿真的方法获取。在有限元分析软件ABAQUS基础上开发出粘结单元,建立了模拟复合型裂纹扩展的嵌入粘结单元方法。进行了复合裂纹试样拉伸实验,获得了裂纹扩展路径和载荷时间曲线,同时用数值仿真方法对结果进行了预测。通过仿真和实验结果对比发现,所建立的粘聚区模型可完整地模拟出HTPB推进剂的失效过程;嵌入粘结单元的方法可准确地预测复合型裂纹的扩展路径。     

复合固体推进剂裂尖复合型变形场和约束场分析

用有限元法分析了不同Ⅰ-Ⅱ复合型裂端的变形场和约束场（裂端形状改变能和应力三维度水平Rσ）分布。结果表明：复合型裂端变形为不对称的相反变形,符合钝化-锐化模型。Ⅰ-Ⅱ复合加载时裂纹尖端出现负约束区域（该区Rσ〈0）,当Ⅱ型分量增加,负约束区域增大,最大约束水平Rσmax降低,且绕裂纹尖端顺时针转动。Rσmax出现距裂纹尖端有一定距离处。Ⅰ-Ⅱ复合载荷下偏离原裂纹方向的裂纹在钝化区内某处危险点开始萌生,并与应力三维度最大位置处产生的空穴或孔洞聚合向前扩展。     

微孔贯通机制的韧性多裂纹扩展研究

拉伸载荷作用下,裂尖附近具有较高的应力三轴度,微孔洞体积扩张及随后内部韧带颈缩是主导韧性裂纹扩展的细观机制。为基于微孔洞损伤机制模拟裂纹扩展,需要建立合理的孔洞贯通准则。基于三维体胞分析,建立了2524-T3铝合金的宏观等效应变失效准则。通过假设孔洞在贯通前保持球形扩张,将塑性极限载荷准则推导为仅依赖于宏观应变的形式。这两种准则分别与Gurson-Tvergaard-Needleman(GTN)模型结合在一起,形成了GTN-E及GTN-L模型,对2524-T3铝合金薄板中的韧性多裂纹扩展过程进行了模拟。模拟结果与试验结果的对比表明,可以有效地分析韧性多裂纹的扩展连通过程。     

C/C复合材料表面烧蚀细观形貌损伤分析

基于C/C复合材料烧蚀表面细观形貌和细观结构上的流场分布规律研究,着重分析了微裂纹尺寸对C/C复合材料中Z向纤维和基体界面上因变温引起的开裂损伤的影响,给出了微裂纹随温度变化的扩展规律及微裂纹特征尺寸随温度变化的表达式;提出了在高温下因变温而造成的损伤模型,为C/C复合材料结构烧蚀计算提供了一种基础性理论。研究结果表明,高温下变温会引起C/C复合材料力学性能的劣化。     

碳-碳复合材料断裂破坏的研究

本文研究碳-碳复合材料断裂功测试参数对断裂功值的影响,确定了测试碳-碳复合材料断裂功的有关参数,对三种不同碳-碳复合材料:三向正交细编、碳毡增强和半乱纤维模压碳-碳复合材料的断裂功进行了测定,并和石墨、玻璃碳、玻璃和融熔石英的断裂功进行了比较。研究了不同碳-碳复合材料的断裂破坏特征,并指出它们的断裂模式、裂纹传播方式和薄弱环节。     

纤维增强陶瓷基复合材料中纤维增韧分析模型

对于单向纤维增强陶瓷基复合材料，在考虑纤维桥联和纤维拔出两种主要增韧机理的基础上，建立了研究紧凑拉伸试样断裂行为的理论模型，并利用该模型计算了裂纹扩展的Ｒ－阻力曲线和载荷／位移曲线，计算结果表明：由于纤维桥联与拔出，使得Ｒ－曲线和载荷／位移曲线呈现明显的非线性行为，纤维桥联是主要增韧机制。体积分数５０％ＳｉＣ１／ＬＡＳ复合材料断裂韧性的计算值与实验值吻合。     

双材料界面裂纹的弹塑性问题

研究Ⅰ型弹塑性界面裂纹问题，用傅里叶正，余弦变换及逐段定积分变换方法将边值问题的方程化为奇异积分方程组。解方程后计算了裂纹尖端塑性区尺寸及裂纹尖端张开位移COD，给出了应变能释放率算法，结果表明，裂纹尖端塑性区尺寸和COD均仅与两种材料的较小屈服极限有关，较小屈服极限越大，则裂纹尖端塑性区尺寸和COD越小。     

随机振动疲劳试验的小裂纹扩展分析方法

针对某型液体火箭发动机管路接头的随机振动疲劳试验,基于断裂力学的小裂纹理论进行了裂纹扩展寿命分析。分别从小裂纹应力强度因子计算、疲劳应变/应力谱、裂纹扩展速率曲线以及裂纹扩展计算程序等方面进行了研究。使用FRANC3D(试用版)进行三维裂纹的有限元计算,得到了管路结构表面裂纹的应力强度因子变化规律;对应变实测数据进行了雨流计数,获得了用于裂纹扩展计算的应力循环谱块,研究了疲劳试验的应变循环峰值、幅值等时域分布特征;采用Newman闭合理论对长裂纹的NASGRO裂纹扩展速率曲线进行修正,给出了试验件材料的相关参数;最后,使用一种疲劳应力谱块平均施加方法进行了裂纹扩展寿命的快速计算。通过与试验结果对比,验证了计算方法有效、可靠。     

固体火箭发动机界面脱粘裂纹分析

使用有限元法,在裂纹尖端周围布置有限奇异裂纹单元以模拟裂纹尖端附近的奇异性。针对轴对称发动机头部的界面脱粘裂纹,计算了点火内压作用下,发动机衬层/药柱、壳体/绝热层界面不同深度脱粘裂纹尖端的应力强度因子,指出应力强度因子随裂纹深度的发展规律。结果表明,当裂纹深度较小时,衬层/药柱界面处于闭合状态,应力强度因子几乎不发生变化,随着裂纹深度的增加,裂纹呈张开状态,裂纹尖端的应力强度因子不断增大;壳体/绝热层界面裂纹总是处于张开状态,且应力强度因子随裂纹深度的增加而增大。     

HTPB推进剂低温裂纹扩展特性试验研究

使用中间穿透型平板裂纹试件开展不同温度下Ⅰ-型裂纹扩展试验,研究了温度对HTPB推进剂裂纹扩展特性的影响。使用改进割线法计算了不同温度下推进剂的裂纹扩展速率,得到了其裂纹扩展阻力曲线,并对裂纹扩展速率与Ⅰ-型应力强度因子进行了回归分析。研究结果表明,在低温下推进剂的裂纹扩展速率比常温时要大,温度越低,裂纹开始扩展的时间越短。不同温度下推进剂的裂纹扩展速率与Ⅰ-型应力强度因子都满足幂函数关系。     

激波在狭缝中绕射过程研究

针对固体火箭发动机药柱存在裂纹的情况，对运动激波在狭缝中绕射传播的非定常流场进行了计算，得到了清晰的流场变化图谱，从流场图中可分辨出激波在狭缝中的传播过程。对不同深宽比的狭缝进行研究，发现流场结构存在明显差别，在深宽比较小时狭缝内压力波振荡较小，当深宽比超过一定值时狭缝内的压力波产生剧烈振荡。研究结果表明，该方法可很好地描述激波在狭缝中的传播过程。     

点火升压阶段药柱裂纹变形研究

利用流固耦合软件MPCCI将FLUENT和ABAQUS连接,计算了固体发动机点火升压阶段燃烧室流场与药柱裂纹变形情况.FLUENT计算耦合区域作用在固体边界上的力,以节点量的形式传给MPCCI,MPCCI将节点量进行插值传给ABAQUS,ABAQUS得到外加载荷,计算耦合区域作用在流场上的节点位移,再通过MPCCI插值后传给FLUENT.计算结果表明,在燃气流入裂纹初期,在裂纹尖端形成相对封闭空间,造成裂纹内压强上升,反射激波引起裂纹尖端更高的升压速率,同时在裂纹尖端形成应力集中,为裂纹动态扩展提供了可能.     

固体推进剂裂纹扩展研究综述

介绍国内外关于固体推进剂裂纹扩展的研究现状,总结固体推进剂裂纹扩展的试验研究和理论分析方法,归纳影响固体推进剂裂纹扩展的各种因素。分析认为:采用拉伸装置研究有裂纹推进剂力学性能和利用高速摄影系统研究裂纹燃烧和扩展情况是当前主要的研究手段;发动机燃烧室内压力、升压速率、裂纹形状尺寸和推进剂燃速是装药裂纹扩展的重要因素;必须进一步开展各因素和裂纹扩展的定量关系研究。     

胶接法修补固体发动机药柱裂纹技术

使用胶粘剂对固体发动机药柱裂纹实施修补,通过单向拉伸试验测定修补区域药柱的力学性能来验证修补的有效性,并使用高温加速老化预测药柱修补区域的贮存寿命;进行了发动机药柱结构完整性分析,比照试验数据和理论计算结果,证明胶接法可对发动机药柱裂纹实施有效修补。     

金属构件疲劳微裂纹非线性超声检测

通过对固体非线性超声传播模型的研究,分析了裂纹静态压力与超声波作用力对裂纹超声非线性响应的影响,建立了反映裂纹区应力-应变非线性关系的弹性接触机制超声非线性响应模型以及反映裂纹闭合状态转换的碰撞接触机制超声非线性响应模型。通过实验研究发现,裂纹尖端区的二次谐波激发效率与裂纹的开口区和闭合区及裂纹最终扩展的极限长度有关。因此,可使用二次谐波激发效率作为定量表征金属试件疲劳微裂纹缺陷的特征参数,实验中使用了自主研制倍频双晶复合换能器,这种倍频双晶复合换能器在工程实际应用中更为方便、实用。