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.     

基于裂尖塑性区的复合材料复合型裂纹断裂准则

基于Tsai-Hill强度理论,在平面应力条件下,推导了复合材料Ⅰ/Ⅱ复合型裂纹塑性区尺寸表达式,分析了裂纹扩展方向与裂纹尖端塑性区的关系,推广并证明了R准则在复合材料裂纹扩展方向预测中的适用性.数值算例分析了不同纤维方向和裂纹倾斜角对复合材料复合型裂纹开裂角的影响.结果表明,R准则是一个通用的断裂准则,适用于预测各向同性材料和复合材料各种裂纹的扩展方向;纤维方向和裂纹倾斜角对断裂角的影响较明显,可能是导致复合材料复杂断裂机理的原因之一.     

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.     

8090铝锂合金疲劳裂纹扩展行为与裂纹闭合效应

采用CT试样研究了8090铝锂合金疲劳裂纹扩展行为与裂纹闭合效应。根据da/dN、k_(op)、⊿k_((?)ff)、⊿k_((?)ff)/⊿k与⊿k的关系,提出了裂纹扩展机制,发现在不同阶段裂纹扩展行为的差异系因闭合效应的变化,裂尖后方的闭合长度对裂纹扩展行为有重大影响。     

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。     

基于XFEM研究含颗粒夹杂材料的疲劳裂纹行为

材料中的颗粒夹杂会改变附近的应力分布,对疲劳裂纹的扩展行为有显著的影响。在XFEM方法的基础上,借助一种考虑界面影响的交互积分方法以及ABAQUS的二次开发环境,模拟疲劳裂纹在非匀质材料中的扩展,研究夹杂颗粒对疲劳裂纹扩展的影响模式。裂纹和夹杂使用扩充函数结合水平集函数隐式模拟,使用最大周向拉应力准则判断裂纹扩展方向。通过模拟疲劳裂纹经过对称夹杂和非对称夹杂的情况,分别研究夹杂对裂纹扩展速率以及扩展路径的影响模式,探讨了夹杂的材料性质对结果的影响,考虑了裂纹在特定情况下可能刺入夹杂的情况。将部分数值结果与更新网格方法以及以往的扩展有限元模拟结果进行了对比,体现了该文方法的优点和模拟结果的合理性。     

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。     

点火压力下药柱Ⅰ型裂纹扩展仿真研究

裂纹扩展特性是含缺陷发动机药柱结构完整性分析的前提。利用非固有内聚力模型，在有限元方法的基础上结合网格拓扑操作，发展了裂纹扩展仿真方法。以圆管发动机为例，研究了指数型点火压力作用下裂纹扩展的规律。研究结果表明，裂纹张开位移、裂尖横向位置在加载初期增速较大，加载末期增速较缓；随着压力因子绝对值、初始裂纹深度的增加，以及内表面均布裂纹数量的减少，裂纹张开位移会增大；压力因子绝对值越大，点火压力越大，裂纹也越容易提前扩展。初始裂纹深度的增加会在加载初期提前导致裂纹的扩展，在加载的后期，初始裂纹深度的增加反而会延迟裂纹扩展的时间。在加载的后期，尽管裂纹累计扩展次数一致，但裂纹数的增加会导致裂纹张开位移的减小，进而延迟裂纹扩展的时间。     

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。     

瞬态热载荷下热障涂层系统界面断裂研究

瞬态热载荷是航空、航天发动机及重型燃气轮机热端部件热障涂层系统的典型服役工况,对涂层的剥离失效有着显著影响。研究了含单边界面裂纹热障涂层系统在瞬态热载荷作用下的裂纹扩展驱动力,考察了不同材料和物理参数对瞬态热载荷下热障涂层系统界面断裂行为的影响规律。研究表明,相对于稳态热载荷而言,瞬态热载荷工况尤为恶劣,会显著影响涂层的界面断裂行为,明显增大界面裂纹裂尖能量释放率,进而会引起热防护涂层的快速剥离。     

固体火箭发动机药柱表面裂纹分析

为了分析含表面裂纹的固体火箭发动机药柱在温度、燃气内压与轴向过载联合作用下的扩展情况,在固体火箭发动机的危险截面上沿危险方向预设表面裂纹。采用有限元方法,在裂纹尖端构建三维奇异裂纹元,模拟裂纹扩展,分别计算随着裂纹扩展所对应裂纹深度的应力强度因子,得到了应力强度因子随裂纹深度的变化规律。根据应力强度因子的变化规律,探讨了发动机药柱裂纹扩展的趋势。     

高分辨率多径时延测量算法

提出一种基于最小二乘准则的高分辨率多径信号时延测量方法。对参考信号作三阶样条插值获得每条多径信号最小二乘意义的最优估计,用每条多径信号的测量值重构接收信号,通过反复迭代使重构信号是接收信号最小二乘意义的最优估计,实现多径信号的时延测量。仿真结果表明：新算法在低信噪比、窄带信号条件下仍能获得较高的时延测量精度,性能优于MUSIC类时差测量算法。     

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。     

基于最小二乘支持向量机的SAR平台定位

将SAR平台定位分解为粗略定位和精确定位两个阶段。首先,在SAR正侧视成像的条件 下,利用某个方位门内的所有控制点,采用非线性最小二乘平差粗略估计出SAR平台在该方 位时刻的空间位置,并从理论上推导了控制点的误差协方差矩阵到SAR平台定位的误差协方 差矩阵的传递规律。其次,利用各个方位时刻粗略估计的SAR平台位置,采用最小二乘支持 向量回归机精确估计SAR平台的运动方程,从而精确估计SAR平台在某个时刻的空间位置。仿 真试验表明,本文提出的方法能够精确地反演出SAR平台的空间位置。
     

某固体火箭发动机药柱上三维裂纹扩展的判定

采用三维更新Lagrangian格式固相控制方程和线性粘弹材料本构方程,应用非线性有限元法对某固体火箭发动机药柱星角上含有横向贯穿裂纹的药柱进行了三维应力、应变分析,采用三维J积分理论计算了裂纹缝线上各积分点上的J积分.J积分沿着裂纹缝线呈现中间高、两端低的分布趋势,缝线中间部位的J积分值最大,此处最易扩展;根据J积分判据,确定了药柱星角上含有横向贯穿裂纹的发动机安全工作时的最大裂纹深度.     

固体发动机药柱表面裂纹的处理

工程实际中通常采用于药柱表面裂纹处铲槽的方法来释放裂纹尖端的应力应变集中,以确保药柱含裂纹的固体发动机能正常点火发射.为确定铲槽的深度和宽度,基于线粘弹性三维有限元,首先确定发动机药柱点火发射时的危险部位;其次,在危险部位设置深度不同的裂纹,在裂纹尖端构建三维奇异裂纹元,模拟裂纹扩展,分别计算随着裂纹扩展所对应裂纹深度的各类应力强度因子,由此判断裂纹的稳定性,以确定是否需要对裂纹进行铲槽处理;最后,确定在危险裂纹处需要铲槽的深度与宽度.通过对某翼锥-圆柱组合型药柱在点火发射时的数值分析,提出了药柱危险部位裂纹的处理方法,量化了药柱表面裂纹的处理.该方法可为修复药柱表面含缺陷的发动机提供参考.     

基于微观图像及内聚力模型的复合材料裂纹扩展模拟

为研究材料微观结构及晶界强度对材料力学性能的影响,在晶界处引入内聚力单元模型,模拟晶间破坏过程。以ZrB_2-SiC复合材料为研究对象,将其扫描的微观结构图片进行矢量化处理,并导入ABAQUS有限元软件中建立模型,同时在其晶界处,设置内聚力单元模拟晶界破坏过程。通过改变Zr B2与Si C相界面强度,得到了晶界及材料不均匀对材料应力分布及裂纹扩展的影响。结果表明,由于晶界的存在,材料内部出现应力分布不均匀现象并产生应力集中。随着晶界强度的改变,裂纹起始位置及扩展方向发生改变,且裂纹沿低强度的界面进行扩展。随着ZrB_2-SiC界面强度增大,材料的强度提高,拉伸模量不变。     

固体推进剂断裂韧性试验方法研究

利用声发射试验系统和CT试样，对HTPB推进剂I型裂纹断裂韧性进行实验研究。通过研究复合固体推进剂的声发射事件特性和裂纹扩展特性的关系，得到一种由振铃计数确定临界载荷的方法，该方法能准确求得断裂韧性。     

疲劳裂纹扩展速率da/dN的蒙特卡罗模拟

用蒙特卡罗法模拟分析疲劳裂纹扩展速率,确定了算式中的参数分布规律及相关性。通过计算数据与试验数据的对比分析,证明蒙特卡罗法模拟结果合理、可靠。