准脆性材料泛形裂纹扩展的数值模拟

本文采用ABAQUS应用软件对准脆性材料泛形裂纹扩展进行了数值模拟研究,其中,材料性质的非均匀性由Weibull分布表征,裂纹扩展由基于扩展有限元的粘聚裂纹模型描述,首次得到非均匀准脆性材料中断裂面的泛形构形。利用计盒维数计算给出了断面构形的泛形复杂度,计算结果与实验结果吻合较好。进一步研究发现,材料断裂面复杂度与断裂能呈正相关关系。     

泛形断裂能及传统断裂能的尺寸效应

基于泛形有限整数维测度,提出了材料泛形断裂能概念,并直接得到了传统断裂能的尺寸效应。将其应用于混凝土,泛形断裂能的数值结果与通过断裂韧性计算得到的临界应变能释放率基本一致。研究结果表明:材料表面能仍是材料断裂行为的主导因素,因而泛形断裂能可作为混凝土断裂性质的表征参数,为长期以来存在的传统断裂能与临界应变能释放率的计算结果不一致的困惑提供了一个合理的解释。此外,计算结果显示混凝土的泛形断裂能不存在尺寸效应。     

线弹性双材料一维泛形立体本构模型

为得到双材料的本构关系,基于泛形的概念,采用广义泛形Menger海绵来描述双材料中基体和夹杂的分布,可以直接通过泛形测度得到泛形复杂度,且立体模型能够更好地描述双材料的空间结构。进而建立双材料一维泛形立体本构模型,能够体现骨料体积比和级配对弹性模量的影响,给出了等效弹性模量的解析表达式。将其应用于混凝土,数值计算结果与实验结果吻合。     

高g值载荷作用下离散颗粒增强复合材料损伤特性研究

针对钻地弹攻击地下深层目标过程中,战斗部离散颗粒增强复合材料装药提前起爆现象进行高g值加载条件下的损伤形式研究。基于一级轻气炮,应用激光测速系统测量试件击靶前速度,压电传感器监测试件击靶端面应力状态,在Taylor冲击加载下的损伤特性进行试验,分析冲击载荷压力对离散颗粒增强复合材料宏观损伤特性的影响及其细观损伤模式及机理。结果表明:随冲击载荷压力不断增大,细观损伤模式为晶体颗粒表面与黏结剂间的剪切脱黏、孪晶带、穿晶断裂以及黏结剂劈裂等,细观损伤裂纹的加剧引起宏观裂纹产生,裂纹扩展断裂从而导致试件宏观损伤。晶体颗粒剪切脱黏强度模型和裂纹扩展断裂强度模型计算与试验结果基本吻合,为离散颗粒增强复合材料细观损伤机理研究提供重要参考依据。     

冷作模具钢DC53断裂性能研究

针对冷作模具钢DC53的断裂失效情况,开展断裂韧度及疲劳裂纹扩展试验,获得材料断裂性能参数。基于线弹性断裂力学理论,运用三维断裂分析软件FRANC3D模拟计算含有穿透型裂纹的标准紧凑拉伸CT试样的裂纹前缘应力强度因子,由Paris公式计算裂纹扩展寿命,并将理论计算、数值模拟和断裂力学试验进行对比研究。结果表明:数值模拟、理论计算以及试验得到的裂纹扩展寿命在16.7%的合理误差范围内。     

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。     

点火内压载荷对推进剂装药裂纹的影响

对内压载荷作用下装药的应力应变场进行了数值计算,并与经典文献进行了对比,结果符合很好。在此基础上,针对装药中心的表面裂纹,通过在裂纹尖端周围布置有限奇异裂纹元以模拟裂纹尖端的奇异型,计算了内压载荷作用下不同深度裂纹尖端的应力强度因子,分析并总结了断裂参量随裂纹深度以及时间的发展规律。计算结果表明,点火升压阶段,裂纹将主要以张开方式进行扩展。     

混凝土动态断裂数值模拟研究

动态拉伸载荷下,混凝土断裂强度随应变率的增加而提高。根据混凝土内部骨料与砂浆的力学性能,建立描述混凝土材料的细观有限元模型。通过ABAQUS二次开发单元UEL计算动载荷下垂直骨料砂浆界面裂纹的扩展,计算不同加载率下裂纹的扩展路径。计算结果表明,在低加载率下,裂纹沿着骨料与砂浆界面传播,在高加载率下,裂纹将穿过骨料,分析表明混凝土应变率效应的物理成因应为骨料断裂所致。     

45~#钢支座裂纹分析

对45#钢圆环套筒类支座零件进行调质处理时,发生多个零件圆环内壁出现裂纹。采用ICP光谱仪、光学金相显微镜及宏观特征等手段对裂纹特征进行分析。结果表明:该批零件因热处理淬火前锻造工艺控制不当,锻造温度高,达到该材料的过热、过烧温度,造成显微组织中非金属夹杂物沿晶界分布及混晶、晶粒粗大等缺陷,弱化了晶界,降低材料的强度和韧性;淬火过程中由于热处理残余应力的变化,在几何尺寸小、形变空间也小的内壁形成沿晶扩展的淬火裂纹。     

火炮身管疲劳断裂试验和数值模拟研究

烧蚀磨损和疲劳是影响火炮身管寿命的主要因素,前者使内膛表面产生了随机的烧蚀坑或微裂纹,形成了大量的应力集中区,在疲劳作用下,微裂纹沿身管径向由内向外扩展形成宏观裂纹,一旦其深度达到临界值,继续发射则可能导致身管断裂。针对身管疲劳断裂问题,根据火炮发射过程中载荷作用特点,自主设计了液压冲击疲劳试验装置,在实验室条件下再现了身管服役条件下的疲劳断裂现象。试验结果表明：冲击载荷作用下,身管疲劳断口包括裂纹源、扩展区和瞬断区3个部分,扩展区呈现典型的“海滩条纹”特征;身管外壁面周向应变的演化规律与裂纹的扩展速率变化规律之间存在内在的映射关系,从而可为身管健康监测、发射安全性评估提供新的技术手段。数值模拟采用J-C方程描述炮钢材料的动态本构关系,将材料的应变率效应纳入仿真计算过程中,模拟结果与试验结果之间具有较好的一致性。     

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     

超声辅助磨削陶瓷材料的裂纹产生与扩展仿真研究

基于光滑质点流体动力学(SPH)法,研究超声磨削陶瓷材料过程中磨粒冲击工件的裂纹产生及扩展情况,揭示不同超声冲击速度下材料的去除特性及表面层损伤规律。仿真结果表明:磨粒以不同速度压入工件一定深度后,工件开始产生侧向裂纹和径向裂纹;随着冲击速度的增大,工件材料受冲击部位周围的局部崩碎现象明显减少,产生侧向裂纹时磨粒压入工件的临界深度减小,而产生径向裂纹时的临界深度无明显变化。磨粒压入工件的深度增加,观察两种裂纹的扩展情况发现:冲击速度提高,侧向裂纹扩展速度变慢、尺寸减小,而径向裂纹则无明显变化。证实了随着冲击速度的提高,即超声效果加强时,工件的塑性域去除范围增大,但不会引起表面层损伤增大,最终表面质量得到提高。     

温度对高聚物粘结炸药模拟材料拉伸性能的影响

采用标准巴西实验研究不同温度条件(从室温到90℃)下高聚物粘结炸药(PBX)模拟材料的准静态力学行为。采用电荷耦合器件相机和数字图像相关方法测量宏观变形场,测得PBX模拟材料的破坏载荷、拉伸强度等参数;采用平台巴西实验测量PBX模拟材料在不同温度下的平面应变断裂韧性,利用扫描电子显微镜观察巴西实验断面形貌。结果发现,拉伸强度和断裂韧性随温度的增加而降低,同时,随着温度的升高,PBX模拟材料脆性降低。其破坏模式主要由穿晶断裂向沿晶破坏转变,是温度产生的热损伤膨胀破坏和应力产生断裂的复合破裂模式。     

非均质材料界面损伤的数值模拟方法研究

由于材料制备/承载过程中其内部存在着各种尺度的裂纹,裂尖邻域的高度应力集中,会造成此区域夹杂界面有相对较高的脱粘概率。为了研究复合材料内部裂尖邻域夹杂脱粘的发展和此过程中应力强度因子的变化规律,利用含夹杂与裂尖的解析胞元法建立考虑温度效应的复合材料内部裂尖邻域的细观力学模型,并通过Weibull概率函数控制加载过程中夹杂脱粘的发生,得到夹杂的材料性质和环境温度对裂尖附近区域夹杂脱粘概率与裂纹场应力强度因子的影响规律。     

瞬态热载荷下身管热防护涂层表面开裂行为

火炮身管在服役中受剧烈瞬态热载荷作用,对身管热防护涂层表面裂纹的形核与扩展有重要影响。为探究不同热力学参数和几何参数对镀铬层-钢基底系统表面裂纹在瞬态热载荷下扩展的影响,进行含周期性表面裂纹镀铬层-钢基底系统在瞬态热载荷作用下的裂纹扩展行为研究。结果表明:随对流强度增大,涂层内瞬态热应力增大,表面裂纹扩展驱动力提高;随裂纹长度增加,裂尖能量释放率峰值先增后减;裂纹间距越大,裂尖能量释放率越大。表面裂纹能量释放率越大裂纹越易扩展,引起防护层开裂并过早剥落,降低身管寿命。     

陶瓷的断裂韧性

<正> 陶瓷是脆性材料,因此,材料和制品的表面或内部存在的微小缺陷(最弱的部分)会形成断裂的起点并使裂纹扩展。其强度受材料内部最弱部分的支配,所以呈现随威布尔分布的强度分布,强度偏差大。另外,由于没有塑性变形,韧性大都是随强度上升而上升。 对此,经如下处理便可理解。对裂纹材料的强度评价适合运用线性断裂力学,半无     

渗碳钢中疲劳裂纹的萌生与扩展

在渗碳试样疲劳断口上,通常能看到一个小而光滑的穿晶起始裂纹,周围是大面积的沿晶区域,裂纹可以位于表面或表面以下。迄令,尚不知第一条小裂纹是如何萌生和如何长大的,以及沿晶部分是否真是疲劳裂纹。为阐明这一点,在承受弯曲疲劳的渗碳梁型试样上进行了裂纹萌生与扩展的研究。用醋酸纤维素复型记录表面裂纹形状,再用显微镜仔细观察其复型。由一系列复型的观察结果就能估算出裂纹长大速率。根据从复型和断口得到的资料讨论了裂纹的萌生机制。本文还提供了由最终断裂的实际裂纹形状计算的断裂韧性数据。     

平面波对装甲钢的损伤研究

用炸药透镜发生的平面波，对两种装甲钢进行冲击，研究层裂试样，发现普通的装甲钢由于夹杂比较多而且尺寸比较大，所以其裂纹在夹杂处发生并合并；而对于洁净钢的裂纹则发生在晶界，并沿着晶粒尺寸比较小的方向扩展。应用材料学、断裂力学等原理进行分析，提出提高装甲钢抗冲击能力的措施。     

某发射装置尾罩锁钩断裂故障分析

针对某新型发射装置在挂飞时多次出现尾罩锁钩断裂故障,从制造因素、设计因素、人为因素等方面进行了原因分析。结果表明:锁钩存在应力集中现象,在产品装配和维修过程中存在人为不当操作,在锁钩薄弱部位产生了微裂纹损伤,在随后的飞行过程中由于受到振动、冲击作用,使得锁钩微裂纹扩展造成锁钩疲劳断裂。通过改变锁钩结构尺寸及材料,增大结构强度,解决了锁钩断裂故障,试验证明改进措施正确有效。     

国产HTPB复合固体推进剂Ⅰ-Ⅱ型裂纹断裂性能实验研究

采用WDN-10KN材料实验机对含Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹的HTPB复合固体推进剂进行了拉伸速率为2mm.min-1的单轴拉伸试验,用摄像机记录了推进剂裂纹扩展至断裂的整个过程。得到了六种不同裂纹倾斜角下的力-变形曲线及裂纹扩展开裂角和断裂载荷。与T断裂准则、S断裂准则和σθ断裂准则进行比较,结果表明推进剂裂纹扩展开裂角与T断裂准则的数值计算结果较为接近,说明可以借助于T断裂准则对推进剂裂纹扩展的初始开裂角进行初步的理论预测。