非均匀复合材料中裂纹扩展过程的数值模拟

应用有限单元法和最大正应力准则,引入楔形界面过渡层模型,求解相应的特征函数,准确地确定界面裂纹第一步开裂角,模拟了裂纹在非均匀复合材料中的扩展过程。结果表明:裂纹扩展初期呈波浪式前进,并最终沿着与最大正应力垂直的方向前进。这对此类结构的防断控制具有指导意义。     

长期贮存的固体发动机药柱脱粘界面裂纹分析

为了分析长期贮存的固体导弹发动机药柱脱粘层界面裂纹在燃气内压和轴向过载联合作用下的扩展情况,建立了发动机药柱在包覆层与推进剂之间脱粘的三维有限元计算模型,并于脱粘界面的裂纹尖端设置三维奇异裂纹元,模拟脱粘界面裂纹扩展。在包覆层与推进剂之间设置不同深度脱粘,计算了在燃气内压和轴向过载联合作用下不同贮存期、不同深度的界面裂纹尖端的应力强度因子,得到了界面裂纹应力强度因子随贮存时间、脱粘深度的变化规律,对长期贮存的固体发动机脱粘界面裂纹的扩展进行了分析。     

低温过热器泄漏原因分析及采取措施

对某电厂锅炉低温过热器泄漏原因进行了分析,通过宏观、力学性能、金相等检查,结合基建时管子供货过程,认为低温过热器泄漏的原因是材质不良。管子出厂时就存在初始裂纹,在锅炉运行过程中,由于在外界环境和材料内部应力的综合作用下,裂纹产生了扩展,最终裂纹前端管壁不能承受管道内部压力的作用,引起管道泄漏。     

气囊辅助RTM制备复合材料承力筒内腔尺寸控制技术

根据气囊充压压力与复合材料承力筒内径之间的变化关系,给出了成型复合材料承力筒内表面的气囊尺寸计算方程。分析了气囊充压压力增大对承力筒的壁厚、纤维含量和弯曲性能的影响。采用气囊辅助RTM工艺整体制备出复合材料承力筒。试验结果表明,气囊充压压力使复合材料承力筒的壁厚减薄,纤维体积含量增加,弯曲性能提高;选择适当的气囊充压压力可以制备出满足设计要求的复合材料承力筒。     

夹芯复合材料T型接头侧弯损伤机理及强度特性分析

针对复合材料夹芯板材构件的侧弯承载和坚固连接要求,设计了弧形过渡区增强型T型胶接接头。建立了夹芯复合材料T型接头数值模型,模拟了其在侧弯载荷作用下的损伤产生、扩展及失效过程,并对夹芯复合材料T型接头试件进行了静态侧弯试验。结果表明:接头发生初始损伤的线载荷强度为44~47N/mm,损伤发生后接头的刚度值发生折减(降低约28%~32%),此时接头的承载能力仍在上升;试件界面完全剥离载荷强度较初始损伤线载荷强度略有增加(线载荷强度范围为54~62N/mm)。数值计算与试验结果吻合,表明弧形过渡区是夹芯复合材料T型接头最薄弱的部位,易发生破坏;初始损伤将首先出现在弧形过渡区复合材料表层,随着层间裂纹的扩展,过渡区复合材料与芯材的复合界面处出现剥离破坏并向自由端端部界面扩展,这是导致夹芯复合材料T型胶接接头失效的最主要原因。     

固体推进剂裂纹摩擦热点形成细观模型分析

分析机械撞击载荷作用下复合固体推进剂内部裂纹摩擦形成热点过程。研究在压应力与剪切应力作用下闭合裂纹滑移、扩展、摩擦生热、热扩散、推进剂热分解及与气相产物相互作用。利用断裂力学、热传导、推进剂热分解动力学方法,建立裂纹摩擦热点细观模型。通过模型数值计算,探讨推进剂裂纹摩擦产生高温热点的过程和条件。分析计算表明裂纹摩擦和扩展可导致推进剂形成高温热点。     

复合材料单面胶接修复含中心裂纹铝合金板的疲劳特性分析

利用ANSYS有限元分析软件,建立了复合材料单面胶接修复铝合金裂纹板的裂纹长度参数化的有限元模型,分析了修复结构的裂纹尖端应力强度因子及其变化幅值的规律;与试验测试结果相结合,得到了描述修复结构疲劳特性的Paris公式材料常数;碳纤维、玻璃纤维复合材料胶接修复铝合金裂纹板的材料常数C、m分别为6.76×10-10、2.27和7.89×10-10、2.33。     

铝制贮箱箱底初步断裂分析

本报告应用断裂力学方法,对铝合金贮箱箱底进行了初步的分析。应力计算主要考虑了箱底在内压作用下的薄膜应力和由边缘效应引起的弯曲应力以及假定的焊接残余应力。断裂分析包括对表面裂纹临界尺寸的线弹性和弹塑性计算,给出了母材和焊缝处的临界裂纹尺寸;确定了加载20次到201次时所允许的最大初始裂纹尺寸。对一维和二维裂纹扩展模型进行了比较,指明二维扩展模型更为合理。最后对验证实验以及超声波检查配合使用进行了简单的讨论。给出了在本文条件下,贮箱箱底的无损检验标准和确定验证试验的方案。     

对接厚板表面裂纹的残余应力强度因子

利用线弹簧模型求解对接厚板表面裂纹的残余应力强度因子。基于Reissner板理论和连续分布位错思想,将对接厚板表面裂纹问题归结为一组Cauchy型奇异积分方程,并采用Gauss-Chebyshev方法给出了奇异积分方程的数值结果,并与有限元解进行比较,计算结果表明:用线弹簧模型解决含残余应力表面裂纹问题不仅是合理可行的,而且是一种简单方便的方法,便于工程实际应用。     

玻璃纤维增强复合材料的损伤分析

本文对玻璃纤维增强复合材料层合板进行了拉、剪多向应力本构关系的实验研究,成功地用软x射线照相观察到材料内部微裂纹沿纤维方向近似均匀分布,并沿裂纹面扩展至破坏的损伤形貌,同时结合声发射技术等监测其扩展规律。在此基础上建立了基于微观机制的微裂纹损伤模型,预测材料的损伤非线性本构关系和破坏,以及实验观察到的一些复合材料特有的损伤现象,理论预测结果与实验值吻合。     

含裂纹钢板复合材料修补疲劳寿命数值分析

用ANSYS有限元软件对复合材料修复含边裂纹、中心裂纹和切口的钢板的疲劳寿命进行了数值分析.研究了边裂纹、中心裂纹长度对钢板疲劳寿命的影响,分析了碳纤维增强复合材料对3种损伤钢板疲劳寿命的修复效果.计算结果显示,修补后结构件的疲劳寿命可延长3～50倍.     

采用扩展有限元法的线式爆炸分离装置裂纹扩展分析

为了提高线式爆炸分离装置的安全性,本研究基于扩展有限元法,通过创建二维和三维动态裂纹扩展模型,探索了线式爆炸分离装置在爆轰波作用过程中的动态裂纹扩展和止裂机理。研究表明,分离壳体的裂纹扩展路径独立于裂纹初始角度;不考虑载荷时序时,二维和三维动态裂纹扩展的主方向分别沿着分离壳体的径向和环向;考虑载荷时序时,受不同区域应力波的联合作用,三维裂纹沿环向扩展的同时会沿着轴向扩展,但裂纹的扩展均不会影响到止裂槽以外的结构。所提方法和相应结论可为线式爆炸分离装置设计提供参考。     

成层地基中压入法沉桩引起的桩周土体变形分析

通过在桩-土界面设置接触面,选用合理的单元类型,建立了较为符合压入桩压桩实际的三维有限元模型。利用得到的有限元模型,采用单元生死技术对压入桩压桩过程进行了数值模拟,讨论了成层地基压桩过程中桩周土体的竖向应力及应变随压桩深度的动态变化。选用桩型为钢管桩,分析结果表明:随着压桩深度的增加,桩内桩周土体的竖向应力(或应变)一直表现为压应力(或压应变),且逐渐增大;桩外桩周土体的竖向应力(或应变)逐渐由压应力(或压应变)变为拉应力(或拉应变)。随着压桩深度的增加,桩内桩周土体前3层竖向应力(或应变)的变化幅度基本一致,第4层的变化幅度增大;桩外桩周土体每2层土之间的差异都较大。     

碳纤维增强聚合物基复合材料频率选择表面的电磁传输特性

为了避免采用金属频率选择表面制备的天线罩中存在的热残余应力和弱黏接界面等问题,采用与聚合物基复合材料罩壁结构相容性好的碳纤维增强聚合物基复合材料制备频率选择表面,利用自由空间法对试样的电磁传输性能进行测试,并采用数值分析模型对碳纤维复合材料频率选择表面的电磁传输机制和电磁传输影响因子进行分析。结果表明:碳纤维复合材料频率选择表面具有频率选择功能,但谐振频率处的电磁传输损耗较大;通过改变复合材料频率选择表面的单元缝隙率、厚度、电导率以及介电常数可以实现对其电磁传输性能的调节。     

双材料界面裂纹的加料有限元方法

为解决求解双材料界面裂纹应力强度因子等断裂参量的困难,在常规单元位移模式中引入界面裂纹尖端位移场,构建加料界面裂纹单元和过渡单元的位移模式,推出了加料有限元方程。采用不同的加料单元和过渡单元配置方案,建立了方形板中心界面裂纹和矩形板单边斜界面裂纹的加料有限元模型,求解有限元方程直接得到应力强度因子,与解析解的结果对比,表明该方法具有较高的精度,可方便地推广应用于界面裂纹的计算分析中。     

橡胶-钢粘接界面断裂问题非线性有限元分析

为解决橡胶-钢粘接界面断裂非线性有限元计算问题,建立了含初始裂纹的橡胶-钢粘接复合结构有限元模型;用张开位移作为裂纹开裂的判定参数并模拟了裂纹的扩展,计算值与试验值的对比证明了该方法的可行性;计算了开裂前粘接界面的层间应力,分析了开裂前裂纹前沿和沿裂纹扩展方向的层间应力变化情况;用断裂力学中的柔度法计算橡胶-钢复合结构的能量释放率,计算并分析了能量释放率沿裂纹扩展方向的变化情况,并与实验结果进行了对比验证,结果证明:该方法是可行的。     

钢质管道挤压变形过程数值模拟

基于对钢质输油管道挤压变形原理的分析,建立上下刀具加载作用下钢质输油管道挤压变形模型,采用扩展拉格朗日方法求解三维接触挤压问题,完成20号无缝钢挤压变形过程的数值模拟。将模拟试验数据与前人实际试验数据进行对比与验证,模拟结果与实际试验结果吻合。该模型可以用于模拟不同规格管道挤压变形情况,得到管道挤压变形的位移、载荷和应力分布规律,为管道应急抢修提供理论和实践依据。     

双向受载裂纹板的碳纤维复合材料补片的胶接修补分析

建立了碳纤维复合材料补片胶接修补双向受载裂纹板的3D有限元模型,分析了补片的单面胶接修补效果,探讨了补片材料、铺层顺序、补片长度及载荷比等对裂纹应力强度因子的影响规律。结果表明:复合材料补片的存在使裂纹板垂直裂纹方向载荷和平行裂纹板方向载荷发生耦合作用,从而影响补片修补效果。平行裂纹方向的压应力可降低裂纹尖端的应力集中因子,而拉应力可提高裂纹尖端的应力集中因子。     

复合材料修补金属裂损结构吸湿老化的试验与有限元分析

暴露在湿热环境中的复合材料修补金属裂损结构易吸湿老化,导致该结构性能下降,服役寿命缩短。为研究吸湿性对复合材料修补金属裂损结构修补效果和耐久性的影响,利用试验方法分析了吸湿性对复合材料胶补金属裂损结构及胶黏剂力学性能的影响;利用有限元方法评估了吸湿性对复合材料胶补金属裂损结构试验件修补效果和耐久性的影响。研究结果表明:吸湿后含穿透双边裂纹铝合金板玻璃纤维单面胶补试验件的疲劳裂纹扩展寿命和极限载荷的平均值分别下降为吸湿前的71%和90%;吸湿造成拉伸条件下复合材料胶补金属裂损结构胶层失效模式由内聚破坏为主转变为界面破坏为主;在"湿-热"老化30天后,E44/聚酰胺环氧树脂胶黏剂试验件吸水饱和,弹性模量下降为未老化前的40%,塑性应变超过了总应变的25%;有限元分析发现胶层损伤受吸湿影响明显,吸湿性加速了胶层损伤,且裂纹长度越长,加速作用越明显;同时吸湿使得裂纹尖端的J积分值急剧增大,导致修补结构的疲劳裂纹扩展寿命缩短,裂纹长度越长,吸湿性对于复合材料胶接修补效果的危害越严重。     

内压圆筒大开孔结构补强设计与应力分析

根据整体补强和厚壁接管补强2种型式,为内压圆筒大开孔结构确定满足结构和工艺要求的圆筒壁厚和3种规格接管壁厚。采用压力面积法和ASME规范对该大开孔结构进行强度校核,并运用有限元分析法进行结构的应力分析和数字模拟,比较不同壁厚接管的补强效果,从而确定容器的结构尺寸。设备实际运行结果表明:该结构强度满足工作要求。