身管内壁裂纹扩展特性及剩余寿命研究

火炮发射过程中身管内膛环境十分恶劣,经过一定射击发数后内膛往往出现不同程度裂纹,影响身管寿命及发射安全性。采用有限元软件建立了包含膛线及不同位置初始裂纹的身管有限元模型,基于线弹性断裂力学理论研究了膛压、弹带摩擦力、自紧残余应力等载荷作用下身管内壁不同位置初始裂纹的扩展特性,得到了影响身管疲劳裂纹扩展寿命的危险因素为身管内壁阴线纵向裂纹,基于疲劳裂纹扩展理论,以临界断裂韧度为失效判据,获得了无镀层身管在包含不同数量初始裂纹时的剩余寿命。研究对于火炮身管的发射安全性评估、寿命预测及寿命提升研究具有重要的参考价值。     

外物损伤对叶片振动疲劳裂纹扩展性能的影响

为研究外物损伤(FOD)对航空发动机叶片的疲劳裂纹扩展影响,基于落锤冲击试验系统,在不同冲击能量下进行TC4钛合金试件的FOD模拟试验及振动疲劳试验,获得损伤试件的裂纹长度与疲劳寿命的关系,并拟合疲劳断口裂纹形貌参数,建立疲劳裂纹扩展寿命预测计算模型。研究结果表明：损伤缺口的深度和宽度随冲击能量的减小而非线性的减小。当冲击能量较大时,试件的疲劳裂纹先沿弯曲微裂纹扩展,后沿直线扩展;当冲击能量较小时,试件疲劳裂纹保持直线扩展。裂纹的萌生寿命与冲击能量、应力水平二者相关。     

基于高速数字图像相关法的疲劳裂纹尖端位移应变场变化规律研究

应用高速摄像数字图像相关法研究了谐振式疲劳裂纹扩展试验中紧凑拉伸（CT）试件在高频正弦交变载荷作用下,裂纹稳态扩展阶段裂纹尖端区域位移和应变场的变化规律。采用数字化高速摄影设备采集系列正弦交变载荷作用下CT试件数字散斑图像,应用数字图像相关(DIC)法计算每幅图像裂纹尖端区域位移和应变场,对裂纹尖端区域特征点的位移、应变值采用最小二乘正弦拟合方法进行拟合,求出振幅、相位、平均载荷等特征量,将拟合出的应变或位移正弦曲线和所对应的系列散斑图像进行匹配,找到一个应力循环内特征位置的图像。使用动态高精度应变仪测量了CT试件在一个应力循环内裂纹尖端点应变值,试验结果表明,DIC应变测量最大误差为4.12%,验证了所提出DIC测量方法的可行性。在此基础上,进行了基于高速DIC方法的谐振式疲劳裂纹扩展试验,研究了疲劳裂纹未扩展时裂纹尖端应变幅值和疲劳循环次数的关系及疲劳裂纹扩展到不同长度时裂纹尖端区域位移和应变场的变化规律。     

中锰铸钢疲劳裂纹扩展行为研究

采用疲劳裂纹扩展速率试验方法中的紧凑拉伸试验 (CT试验 ) ,得到了中锰铸钢疲劳裂纹扩展速率的数学表达式 ;用 SEM和微区相结构测试技术分析了中锰铸钢在疲劳裂纹扩展过程中的行为特点。研究表明 ,中锰奥氏体铸钢在疲劳裂纹扩展过程中 ,裂纹尖端将由应变诱发奥氏体向马氏体转变并伴有相变塑性产生 ,从而延缓了裂纹的扩展速率     

线膛复合身管无座力炮内衬厚度影响分析

针对线膛复合身管无座力炮内衬厚度与疲劳寿命关系研究较少的问题,对线膛复合身管无座力炮内衬厚 度对火炮的影响进行研究。选择各向同性弹性材料模型,使用有限元软件ls-dyna 进行数值仿真,结合局部应力应变 法,分析了弹丸挤进、内压载荷对不同厚度内衬和纤维等级复合材料层的线膛复合身管裂纹形成寿命的影响。计算 结果表明：增加内衬厚度可以有效减小局部最大应变,高等级的碳纤维更加适合轻质量无座力炮的减重。     

基于DIC的塑性诱导疲劳裂纹闭合行为研究

预测变幅载荷作用下的结构寿命,需研究材料的疲劳裂纹闭合效应,确定材料疲劳扩展时张开载荷的变化规律。针对箭体管路结构中常用的0Cr18Ni9不锈钢,通过数字图像相关技术测试2 mm厚0Cr18Ni9不锈钢板疲劳裂纹扩展时的张开载荷,获得张开载荷随裂纹长度、最大应力强度因子的变化关系;初步得到考虑塑性诱发裂纹闭合效应修正的Paris公式,为其在变幅载荷谱下的裂纹扩展行为预测奠定基础。     

基于显微DIC的谐振疲劳短裂纹尖端变形场演化规律

为研究疲劳短裂纹扩展机理，提出一种基于显微数字图像相关(DIC)的塑性金属材料谐振疲劳短裂纹尖端位移场、应变场和塑性区的测量方法，并对其演化规律进行研究。通过显微摄像系统采集疲劳裂纹扩展过程中谐振载荷最大点试件短裂纹图像；采用DIC方法获得裂纹尖端区域位移场和应变场的数据。通过虚拟引伸计技术结合位移场演化数据获得短裂纹扩展过程中裂纹尖端坐标，进而根据von Mises屈服准则和应变场数据确定裂纹尖端塑性区尺寸及演化规律并与Irwin模型的理论尺寸进行对比验证；采用电子背散射衍射(EBSD)技术测量典型塑性金属材料316不锈钢疲劳裂纹尖端的晶粒尺寸分布，进一步研究谐振载荷作用下疲劳短裂纹尖端区域沿晶粒尺度的位移和应变的演化规律。研究结果表明：提出的方法成功获取了短裂纹微米级变形场演化数据，为塑性金属材料疲劳短裂纹扩展特性的进一步研究和疲劳寿命预测提供了实验和理论支持。     

PBX炸药含裂纹扩展损伤的粘塑性本构关系

为描述高聚物粘结炸药(PBX)的动态力学性能,将炸药内由微裂纹扩展引起的细观损伤,耦合到宏观粘塑性本构方程中,建立了含微裂纹扩展损伤的粘塑性本构关系。针对某PBX炸药,开展了单轴压缩及断裂性能实验,研究了材料本构参数及本构关系计算算法,嵌入到ABAQUS软件中,数值模拟了该PBX炸药不同应变率条件下的力学行为。与实验结果对比表明,含裂纹扩展损伤的粘塑性本构关系能够表征PBX炸药动态条件下力学性能变化过程,可用于冲击环境下炸药损伤演化分析研究。     

超声冲击对MB8镁合金焊接接头超高周疲劳性能的影响

通过超声冲击试验和超声疲劳实验来探究超声冲击对MB8镁合金焊接接头超高周疲劳性能的影响。结果表明:由S-N曲线可知,在106~109寿命区间内,冲击态试样的疲劳性能要高于焊态。在应力为40 MPa载荷下,焊态试样的疲劳寿命为1.86×10~7,而冲击态试样的疲劳寿命为9.77×10~7,提高425%,说明超声冲击可以明显提高MB8镁合金焊接接头的疲劳寿命。裂纹都是萌生于焊趾区,试样的断口存在6个不同区域:疲劳源区、初始扩展区、过渡扩展区、粗晶扩展区、柱状晶扩展区、瞬断区。     

基于Hopkinson杆试验技术的PA-GF50复合材料动态力学行为

为研究纤维含量50%短玻璃纤维增强聚酰胺复合材料PA-GF50的动态力学性能及其应变率效应,利用准静态液压试验机及分离式Hopkinson压杆、Hopkinson拉杆对标距段尺寸为6~10 mm的试样,进行了应变率范围0.000 5~1 600 s^-1的准静态压缩、准静态拉伸、动态压缩和动态拉伸试验。对试样的应力-应变曲线和最终破坏形态,材料在不同应变率下失效破坏过程的微结构力学机理进行了分析。研究结果表明：动态载荷下,材料强度明显高于准静态载荷（压缩载荷下材料在400 s^-1、900 s^-1和1 600 s^-1应变率下分别较准静态载荷下增强31%、25%和29%;拉伸载荷下材料在400 s^-1、800 s^-1和1 200 s^-1应变率下分别较准静态载荷下增强46%、47%和28%）,且失效应变有所降低;试样变形和最终破坏形态为压缩载荷下试样经历缺陷压实过程再进入弹性变形最终达到强度后失效,拉伸载荷下试样经历弹性变形达到强度后失效断裂;材料在不同应变率下的微结构机理为准静态载荷下微观裂纹扩展组合成为宏观裂纹,动态载荷下微裂纹分别扩展成为宏观裂纹;试样的宏观断口和扫描电子显微镜结果证实,材料在准静态压缩加载条件下断口较为平整,动态压缩载荷形成纤维拔出、纤维断裂等特征,准静态拉伸载荷下纤维拔出明显,而动态拉伸载荷下主要表现为纤维断裂。     

身管烧蚀及缓蚀剂作用机理研究现状

身管烧蚀磨损严重限制了火炮性能的提高和服役年限的延长。为延长身管寿命、发展高威力火炮,需增强火炮身管的抗烧蚀磨损能力。从热冲击、化学侵蚀、机械磨损三方面综述国内外身管烧蚀机理的研究现状,分析认为烧蚀磨损的发生与加剧主要归结于热－化学－机械复合作用。在此基础上梳理缓蚀剂技术抑制身管烧蚀磨损的机理,指出纳米材料在缓蚀剂研制中的意义,无机氧化物和含氮有机材料在发射环境下可对身管内壁形成保护。对缓蚀剂的设计作出展望,为新型缓蚀剂设计提供有益思考。     

基于蒙特卡洛模拟的身管疲劳寿命加速试验与分析

为解决身管疲劳寿命试验时间长、费用高等问题,提出对身管进行加速寿命试验。基于蒙特卡洛方法对身管疲劳寿命的加速试验进行模拟,得到身管疲劳寿命的分布规律,同时对加速试验的基本假设进行验证,并估计出加速模型的参数。研究表明,身管的疲劳寿命在不同加速应力水平下均服从对数正态分布,加速因子与应力水平呈指数关系,通过加速模型估计的正常应力水平下身管疲劳寿命值与试验值之间的误差较小,验证了身管疲劳寿命加速试验的可行性。该研究为今后开展身管疲劳寿命的加速试验以估计身管疲劳寿命提供了一种理论方法。     

冲击载荷下身管延伸体改进设计及疲劳寿命研究

某小口径火炮身管延伸体在射击过程中多次出现开裂故障,导致其使用寿命无法满足指标要求。针对这一问题,基于大量的材料试验,考虑火药燃气压力的真实载荷传递路径,对系统冲击动态响应及疲劳寿命进行仿真,得到裂纹萌生寿命及位置与试验破坏现象基本一致。经结构局部改进,预测裂纹萌生寿命由500发左右提高到4 000发以上。研制了模拟冲击试验系统,对改进后结构进行了模拟冲击加载试验及实弹射击寿命试验。模拟冲击试验中,4 300次循环后萌生裂纹;实弹射击中,3 000发考核仍未出现裂纹。一次改进达到指标要求,验证了理论分析的准确性及改进措施的有效性。     

兵器用钢断裂韧性和冲击韧性之间的数量关系

<正> 断裂力学是研究裂纹体裂纹扩展规律,分析裂纹尖端的应力、应变分布,建立断裂判据。这方面的研究工作提出了缺陷尺寸、应力大小和材料的断裂韧性三者之间的关系。断裂韧性是描述材料阻止裂纹开裂和扩展能力的特征参数,其韧性值可用于工程结构的设计计算。 工程实际多年来广泛应用缺口试样的冲击弯曲试验,测定试样最后断裂前吸收的总     

基于SPH算法对混凝土裂纹扩展研究

为研究混凝土在冲击载荷作用下的裂纹扩展,用非线性动力学软件AUTODYN-2D、扩展性Drucker-Prager强度模型,采用SPH算法对混凝土在冲击载荷作用下的裂纹形成过程进行数值模拟。分析混凝土在冲击载荷作用下的裂纹扩展情况,研究弹体不同速度对裂纹扩展的影响。结果表明,采用扩展性模型Drucker-Prager能够合理地描述混凝土裂纹的扩展现象。在本研究条件下,当速度小于650 m/s,混凝土裂纹扩展的最大直径随着速度的增加而增大;当速度大于650 m/s,混凝土裂纹扩展的最大直径呈先增大后不变的现象。     

抽筒子疲劳裂纹扩展研究及剩余寿命预测

针对炮闩机构的抽筒子爪部出现疲劳断裂的问题,研究抽筒子的疲劳裂纹扩展及剩余寿命预测。针对抽筒子材料45CrNiMoVA,开展室温下断裂韧度和疲劳裂纹扩展试验,测试材料的断裂韧度,结合实验数据拟合得到Paris断裂公式。通过对抽筒子裂纹扩展因素的研究得到:应力由300 MPa减小至200 MPa时,剩余寿命增幅最大,增大约3.2倍;初始裂纹长度从0.5 mm增大到1 mm时;剩余寿命减小幅度最大,减小约1.8倍;当材料的断裂韧度越大,剩余寿命越大,且增长的趋势越来越缓慢。     

冲击载荷作用下抽筒子疲劳寿命预测与试验验证

在火炮发射过程中,抽筒子在冲击载荷作用下,经常产生疲劳断裂。为了实现有针对性的预防性维修,提出了一种冲击载荷作用下基于协同仿真技术的不规则零部件疲劳寿命预测方法。基于Pro/E和ADAMS建立了火炮射击过程的虚拟样机,并从定性和定量两个方面进行验证,仿真得到抽筒过程中抽筒子的载荷谱。结合有限元分析,计算抽筒子在静应力下的强度和寿命。在仿真载荷谱和有限元静应力分析的基础上,结合材料的S-N曲线,建立了抽筒子疲劳损伤与寿命预测模型,得到其危险部位的最小寿命。为了验证疲劳寿命预测模型的有效性,设计了由撞击试验台、传感器和信号测试分析系统组成的抽筒子疲劳寿命验证试验装置,根据抽筒过程和仿真载荷谱,合理确定撞击高度。试验结果验证了所建立的疲劳寿命预测模型的可信性。     

火炮身管内膛表面材料强度退化机理研究

火炮射击过程中身管在热、力、化学等因素作用下平均每发射弹会产生微米级的内径扩大，是造成身管寿命终止的主要原因，研究内膛表面材料性能变化对揭示身管寿命机理具有重要意义。通过分析某寿命终止155 mm口径身管内膛表面材料组织和性能，获得了身管不同部位内膛表面材料组织形貌、厚度及力学性能。结合身管温度梯度分析及烧蚀模拟试验，揭示了身管内膛表面材料性能退化机理及其与射弹发数关系。研究结果表明：身管寿命初期，在火药燃气作用下内膛表面材料相变形成硬化层，硬化层厚度与火药燃气温度及作用时间相关；身管烧蚀磨损发生在硬化层表面，硬化层常温下硬度和强度比基体高1倍，呈现硬脆特征，高温下硬度和强度迅速下降，在弹带摩擦及气流冲刷下造成身管内径扩大。     

基于等效寿命的航空铆接疲劳特性试验研究

通过二级变幅载荷谱试验与Elber模型相结合分析搭接铆接结构疲劳特性,讨论铆接参数对疲劳断口特征及疲劳寿命的影响。结果表明:疲劳裂纹萌生于搭接板内的多个位置,裂纹源及断裂截面位置受铆接参数及疲劳载荷水平影响;对于较大铆接力下疲劳载荷影响更显著,使用基于Elber裂纹张开应力模型的等效裂纹扩展速率能较好反映铆接工艺及第二弯曲效应影响下的结构疲劳寿命;通常情况下增大铆接力有利于提高疲劳寿命,但其变化规律依赖于疲劳载荷的水平;Smax=100 MPa时,增大铆接力对于4 mm铆钉试件提高疲劳寿命效果显著,但Smax=150 MPa时,较高的铆接力会导致疲劳寿命的增益出现衰减。     

汽车稳定杆早期断裂的原因分析

采用SEM和光学显微镜观察稳定杆的显微组织,用DV-2型直读光谱仪对其材料的成分进行了分析,确定稳定杆断裂为疲劳断裂,认为稳定杆早期断裂原因是由于制造工艺和热处理工艺不当所致。由于稳定杆在表面产生了柱状晶及晶粒间微裂纹,内部出现不均匀组织增加了内应力,以及成型半径过小、表面粗糙度大、氧化皮的存在等引起应力集中,在扭转、挤压和剪切力的作用下萌生了裂纹源,而裂纹扩展造成稳定杆早期断裂。