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。     

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...     

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。     

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。     

固体发动机包覆层与推进剂界面脱粘裂纹稳定性分析

为了判断固体发动机药柱包覆层与推进剂界面脱粘裂纹在燃气内压和轴向过栽联合作用下的稳定性,以翼锥药型并含前后伞盘的固体发动机为例,应用有限元方法,建立界面脱粘的三维有限元计算模型,在界面脱粘裂纹尖端设置三维奇异裂纹元,模拟裂纹扩展。通过在包覆层与推进剂界面上设置不同深度的脱粘,分别计算不同深度时脱粘裂纹的应力强度因子,得到裂纹应力强度因子随脱粘深度的变化规律,由此判断裂纹的稳定性。     

基于量纲分析的弹塑性应力强度因子探讨

以Ⅲ型裂纹(反平面剪切)问题为例,对裂纹尖端弹塑性应力场进行了分析研究。首先,基于断裂力学基本理论,引入弹塑性本构关系,推导弹塑性裂纹尖端场;其次,依据线弹性场中应力强度因子的定义和基于J-积分的弹塑性裂纹尖端应力场的分布,并结合物理意义,定义了与线弹性场应力强度因子一致的弹塑性应力强度因子,来表征弹塑性裂纹尖端应力场的强度;最后,对本文所定义的弹塑性应力强度因子进行了合理性分析,说明了本文定义的适用性。本文所定义的弹塑性应力强度因子,相比于表征弹塑性场的J-积分,具有更明确的物理意义和更简明的表达形式;为弹塑性裂纹尖端场的分析和含裂纹材料弹塑性破坏判据的建立提供了理论方法。另外,本文方式也适合于定义Ⅰ型和Ⅱ型问题。     

固体推进剂中裂纹扩展的一条新定律

确定控制推进剂中裂纹扩展的Paris定律,给出了应力强度因子和裂纹扩展速率之间的幂律关系。但是,这对正确表达粘弹材料中裂纹扩展不尽合适。利用线性累积破坏理论和破坏区的概念,我们给出如下修正定律 da/dt aT=Aα/t_m式中α是达到最大应力σ_m时裂纹前端区域的长度,t_m是与单向拉伸试验中的最大应力相应的时间。就单边预裂试样的拉伸试验而言,本定律可使其结果的分散大大减小,研究中采用CTPB和聚氨酯推进剂。     

冲击载荷作用下的界面扩展裂纹

本文给出了在不同材料界面上扩展裂纹动力学问题解的一般表示。文中利用结合面的边界条件,将问题中所有各量用单一未知函数表示。利用复变函数理论,我们将在不同材料界面上受冲击载荷作用的扩展裂纹问题化为解析函数理论中的Keledysh-Sedov混合问题。文中给出这一问题的闭合解,并且给出了不同材料常数及裂纹扩展速度对应力场分布及应力强度因子的影响。     

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.     

陶瓷材料小裂纹的生长与聚合

对陶瓷材料小裂纹的生长与聚合规律进行了试验研究。结果表明由Ｖｉｋｅｒｓ压痕法引入的单个小裂纹的裂纹扩展速率（ｄａ／ｄｔ）随裂尖应力强度因子的增大呈先降后升的Ｖ形特征。理论分析和数据处理均表明这种特征是由压痕法引入的残余应力场的影响所致。试验结果还表明多个小裂纹的生长与聚合规律也与残余应力场密切相关。文中提出的叠加残余应力场模型很好地解释了上述试验结果     

推进剂的破坏:一种断裂力学方法

双基(硝化纤维/硝化甘油)推进剂,在裂纹增长开始时的应力强度因子 Kc 的值业已测出。这个 Kc 值随温度下降而增加,随着速率的增大而上升,符合粘弹材料的 WLF 方程(Williams—Landel—Ferry relaction)。Kc 值也和试样的厚度有关。本文讨论了裂纹扩展的微观机理,并在推进剂的断裂特性和它的粘弹性及塑性变形特性之间建立了某些关系。     

固体药柱裂纹的动态应力强度因子有限元数值分析

简要介绍了断裂动力学方法及动态应力强度因子的概念。根据断裂动力学方法，分析了推进剂星型药柱平面应变裂纹在阶跃载荷作用下裂纹动态应力强度因子（DSIF）响应情况，并与静力计算结果比较，数值结果表明动态应力强度峰值比静力值要大得多。     

推进剂贮箱金属焊接件疲劳裂纹对 应力强度因子影响的数值分析

卫星推进剂贮箱的焊接质量直接影响卫星的寿命和可靠性。文章通过仿真分析研究焊接残余应力对贮箱上已存在裂纹的影响。首先针对球壳模型和平板模型分别计算焊接残余应力,然后在应力强度值最大的危险区域引入裂纹,对不同角度和尺寸系数的裂纹对应力强度因子影响的数值和变化趋势进行分析。研究表明:起主要作用的是应力强度因子KⅠ;KⅡ受角度影响相对较大;KⅠ和KⅡ的最小值都在裂纹中心处;KⅢ基本随归一化裂纹前沿数值增加而增加。     

具有应变梯度的复合推进剂药柱裂纹扩展特性研究

对具有应变梯度、填充密度大的复合推进剂中的裂纹扩展特性,研究考虑了两种初始裂纹长度,采用中心裂纹的楔形片状试样,在室温、恒定应变速率下进行了试验研究.利用试验数据分析计算了瞬时应力强度因子K_I和裂纹扩展速率da/dt.研究了正割法、修正的正割法、样条拟合法和全多项式法四种数据处理方法及测量裂纹长度时间间隔对??计算精度的影响.还研究了初始裂纹长度、非均匀总应变场和数据处理方法对裂纹扩展特性的影响.确定了K_I和??之间的函数关系.     

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。     

热处理对37SiMnCrMoV钢水质应力腐蚀裂纹扩展动力学的影响

采用声发射检测裂纹扩展,用照相机跟踪摄照裂纹长度,测定了37SiMnCrMoV钢经不同温度回火、亚温淬火和高温淬火等热处理后的水质应力腐蚀裂纹扩展特性。结果表明,预制裂纹试样水质应力腐蚀开裂都经历孕育期。孕育期的时间比裂纹亚临界扩展的时间大9—13倍。试样经930℃淬火、300℃回火、可获得很好的抗应力腐蚀性能。在现行的930℃淬火、270℃回火这两道工序之间增加一次870℃的两相区加热淬火,可有效地改善钢的性能:屈服强度保持160kg/mm~2,K1_c值由190kg/mm~(3/2)增至208kg/mm~(3/2),还显著地改善其抗应力腐蚀开裂的性能,增长孕育期,减慢裂纹扩展速率,亚温淬火对回火脆敏感的400℃回火试样亦有明显的效果。高温淬火试验结果表明,在1000至1200℃之间尚存在一个能获得很好性能的淬火温度。     

固体推进剂/衬层界面裂纹的指数型分层界面层模型

建立了固体推进剂/衬层界面裂纹的指数型分层界面层模型,该模型将界面层划分为多个子层,并在每一子层中用指数函数表示界面层初始模量的分布。应用Fourier变换方法推导出一个Cauchy型奇异积分方程组,采用配点数值方法得到平面应力状态下裂纹问题的半解析解,并讨论了法向和剪切应力加载下界面层参数对应力强度因子的影响。结果表明,界面层模量降低时,应力强度因子的绝对值显著减小;界面层厚度对应力强度因子的影响相对不明显。     

SRM壳体/绝热层脱粘的XFEM

将扩展有限元法(XFEM)用于研究固体火箭发动机(SRM)壳体/绝热层的脱粘。将层隙型和紧贴型脱粘等效为双材料界面裂纹,建立了XFEM的双材料界面裂纹分析模型,并给出了其中核心算法——应变矩阵的求解,通过相互作用积分求出应力强度因子和能量释放率。算例结果表明,XFEM的计算结果与理论值的差异较小,可用于有效求解脱粘问题。     

超高强钢应力腐蚀临界应力强度K_(Iscc)提高途径的探讨

采用表面裂纹法试验证实,37SiMnCrMoV钢在现行淬火和回火两道工序之间增加一次加热到接近Ac_3点的((?) γ)相区的亚温淬火,可以在保持屈服强度不变的前题下显著地提高Kiscc值。对裂纹试样采用低于屈服应力短时予过载处理,可以极显著地提高Kiscc值。声发射检测表明,予过载处理基本不改变应力腐蚀裂纹扩展前的孕育期,却大大延长裂纹亚临界扩展的时间。由准解理和韧窝的混合断口代替了原来的沿晶断口。     

固体推进剂/衬层界面裂纹的界面层模型有限元分析

建立了固体推进剂/衬层界面裂纹的界面层有限元模型,该模型将界面层划分成3个区域,每一区域内采用特定函数表示材料初始弹性模量的分布。应用软件ABAQUS划分网格并采用子程序USDFLD定义界面层内梯度材料的初始模量,计算得到了法向和剪切位移加载下的应力应变场和应力强度因子。计算结果表明,界面贮存时间延长时,裂纹尖端附近整体应力及应力强度因子明显减小,而应变最大值略有增大。该模型的建立及计算结果对求解固体推进剂/衬层界面裂纹问题有一定的工程意义。