应用断裂力学估计结构寿命的一个新方法

传统的计算结构寿命的断裂力学方法,将材料的断裂韧性(K_(1c)或K_c)及裂纹亚临界扩展速率(da/dN)应用于疲劳寿命计算时,必须对结构物进行应力分析求出结构物的名义应力分布,以及对裂纹体进行断裂力学分析求出裂纹端部的应力强度因子(K)。由于实际结构的外载条件,构件几何和裂纹几何的复杂性,构件的应力分析和裂纹体的应力强度计算常常是很困难的。本文试图避开这一困难问题,提出一个不用应力分析和裂纹应力强度计算直接估计带裂纹结构寿命的方法。     

内压作用下复合材料修复裂纹管道的失效分析

为准确评估在内压作用下纤维复合材料修复含裂纹管道的有效性及失效压力,建立复合材料修复后裂纹管道的失效数值模型。该数值模型通过扩展有限元法模拟管道裂纹的扩展,利用cohesive单元模拟胶层的脱粘失效,复合材料的失效通过最大应力失效准则进行判定。通过静水压爆裂试验对所提失效数值模型进行验证,实验结果与数值计算结果具有较好的一致性。失效数值分析结果表明:当内压增大至一定值后,未修复管道的初始裂纹沿轴向及壁厚方向逐渐扩展,进而使得管道内壁单元扩展成真实裂纹,此时真实裂纹贯穿整个壁厚方向,即认为裂纹管道发生爆裂失效,爆裂失效压力随初始裂纹半长呈指数形式下降。复合材料修复裂纹管道的不同修复工况呈现相同的失效模式:在单调递增的内压作用下,管道内表面首先出现黏结裂纹,而后其外表面裂纹张开趋势急剧上升,使得复合材料层应力急剧上升,达到极限强度而失效。且对于不同的初始裂纹尺寸,存在对应的复合材料缠绕层数临界值。     

基于内角流动的板式表面张力贮箱内推进剂流动过程研究

分析了在微重力环境下,板式表面张力贮箱内推进剂的流动和定位过程.利用VOF方法对贮箱内推进剂的重定位过程进行了仿真计算,验证了贮箱及PMD的推进剂管理性能.用数学方法分析了液体在导流板的内角流动,用解析计算的方法求出流动过程中液面的长度,并和仿真计算结果进行了对比.因为实际的贮箱模型比较复杂,仿真计算结果和理论计算结果存在一定的误差,但其流动趋势保持一致.本文的工作能够为内角流动的研究提供有益的参考.     

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。     

增压充液贮箱振动特性的理论与实验

结合理论与实验方法研究了增压充液贮箱的振动特性。采用弹性薄壳理论和速度势理论建立了增压充液贮箱的动力学方程组。考虑内部加压对贮箱振动的影响,引入内外压差作用项;考虑弹性壳体与液体间的耦合作用,给出液体动压的表达式。采用经典边界值法计算出贮箱振动频率;设计贮箱模型进行固有振动频率的实验测试。所得计算结果与实验值一致,均表明充液使贮箱振动频率下降,而内部加压使贮箱振动频率增加。进一步分析,得到增压充液贮箱振动频率随波数、贮箱内压、充液密度、贮箱几何参数和材料刚度等因素的变化规律。     

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。     

位移不连续法在裂纹扩展仿真中的应用

探讨了在应用位移不连续法仿真裂纹扩展时对加载方式、裂纹扩展长度及应力强度因子计算等问题的处理方法,并据此编制了仿真程序,分析了裂纹在单向压载作用下的扩展趋势和应力变化,具有一定的工程应用价值。     

飞机结构疲劳可靠度贝叶斯组合预测

在实际工程中,常常需要利用模型去描述和分析问题。然而模型亦存在不确定性,即可能存在多个描述同一现象的模型,例如多个疲劳分析的模型。针对飞机结构的疲劳可靠性问题,提出在考虑三种裂纹扩展模型下基于贝叶斯公式的疲劳可靠度组合预测方法。针对不同应力水平下飞机结构试件的裂纹扩展数据建立了三种随机裂纹扩展模型;在考虑模型参数不确定性条件下,采用贝叶斯模型平均方法对三种模型进行组合;基于组合模型分析结构的可靠度。所提方法在分析飞机结构疲劳可靠度上,采用了组合模型,能够最大限度保障结果的稳定性。此外,考虑了模型参数的不确定性,能够得到更为合理的裂纹扩展预测分布和可靠度预测值。给出的实例及分析结果表明所提方法可行。     

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。     

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。     

室温下单电子晶体管3种临界尺寸的确定

为使单电子晶体管达到实际应用的地步,开展室温条件下相关研究成为必然。从正统理论出发,推导、计算出室温条件下单电子晶体管能否正常工作的库仑岛临界尺寸:存储器件为6.5nm,逻辑器件为1.5nm;本文还推导和计算出单电子晶体管室温下发生能量量子化效应的临界尺寸:4.7nm,并对这3种临界尺寸进行了验证和分析。另外,通过比较分析本文还得出了室温条件下,所有逻辑器件均必须考虑能量量子化效应,所有存储器件应尽量考虑能量量子化效应的结论。分析结果表明,库仑岛临界尺寸的确定对单电子晶体管的实际应用具有重要意义。     

测量圆弧对板的新方法

采用绘图软件绘制出圆弧对板图形,确定测量X、Y尺寸;用二维工具显微镜进行测量实测尺寸后,实测尺寸与绘图尺寸圆弧半径进行比对计算,确定出每段圆弧半径尺寸偏差,测量系列算术平均值的实验标准偏差即为圆弧半径的偏差。对此方法进行测量不确定度的评定;实验验证;此测量方法可行,具有适用性。     

基于ANSYS Workbench的轴套表面裂纹应力强度系数有限元分析研究

针对轴套表面裂纹受力复杂、不易进行理论计算的问题,开展了基于ANSYS Workbench的裂纹有限元仿真方法的研究,得到了轴套表面裂纹应力分布与裂纹尺寸和过盈偏差的关系,以及应力强度系数沿裂纹前缘位置的分布规律。通过对比发现,轴套表面裂纹的仿真结果与理论计算误差10%,由此说明了有限元方法的有效性。     

宇航压力容器的概率断裂分析

本文根据概率断裂理论,分析了某宇航压力容器的可靠性。某典型的贮存试验容器,生产后在焊缝处出现许多裂纹。按概率断裂理论,这个容器的可靠度由下式计算:这里R,R_f分别是可靠度和破坏概率,f(α),φ(α_c)分别是裂纹尺寸和临界裂纹尺寸的概率密度函数。通过对165个断裂韧性子样数据的分析表明:断裂韧性K_c服从正态分布,而裂纹尺寸以第二类指数分布拟合较合适,分析中断裂评定按K准则。可靠度的计算采用了Monte Carlo法。计算结果表明:模拟次数N=5000次,即可得到令人满意的精度。最后,对计算结果做了讨论。     

二维非定常中子输运的并行算法

编制了求解时间相关二维中子输运问题的并行计算程序,并在YH-1计算机上进行过许多验证计算。对六个临界装置的计算表明,临界参数的计算值与实验值之间的偏差在参数值的实验误差范围之内,这证明计算程序是正确的。不同并行算法的计算结果完全相同也证实了程序编制的正确性。计算表明,并行程序的计算效率比相同参数下的串行程序提高约30倍以上。为了尽可能提高并行计算的效率,除了采取通常的向量化技巧外,在算法上提出了并维技巧和斜对角扫描的方法。     

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。     

LD10cs薄板表面裂纹弹塑性疲劳扩展速率实验技术研究

本文提出用有机颜料着色法检测表面裂纹疲劳扩展时的尺寸和形状,其结果表明,这是铝合金薄板表面裂纹测深行之有效的方法;且对表面裂纹弹塑性疲劳扩展中的其它问题,即韧带、背表面屈服、裂纹形状变化规律和裂纹穿透点进行了研究,最后用线弹簧模型处理了疲劳数据,并得出了一些结论。     

逆变器-异步电机电磁噪声的分析与研究

利用Ansoft建立了样机的二维模型,计算了样机在空载运行下的各性能参数,分析了样机内的磁场分布情况.在此基础上,计算了负载大小、机壳设计尺寸和逆变器供电对异步电机电磁噪声的影响.仿真分析表明:通过合理改变机壳尺寸和质量以及选择合适的逆变器开关频率的方法可实现异步电机的降噪.     

具有随行波表面的管道流场仿真研究及分析

对内壁具有不同尺寸的V型和半圆型随行波的管道流场进行了多个速度下的数值仿真计算,获得了各模型的微观流场及减阻规律。在建模过程中为减小计算量,采用了二维管道剖面代替三维管道模型的方法,并基于完整性和计算稳定性考虑选用了湍流RNGK-ε模型进行计算。仿真结果表明:在流动中,管道内壁随行波产生的旋涡有利于壁面的减阻,并且旋涡大小与随行波的尺寸有关,减阻效果会随着随行波尺寸的变大而减弱。在仿真速度条件下,半圆型随行波的减阻效果要优于V型随行波。     

三维表面裂纹扩展轨迹与数值仿真研究

针对三维表面裂纹扩展形态和轨迹难以预测的特点,基于ANSYS有限元分析软件,利用三维裂纹扩展仿真方法,开发三维裂纹扩展程序,研究典型的三维表面单裂纹与三维非等大共面表面双裂纹扩展轨迹,实现了任意三维多裂纹扩展轨迹的数值模拟。主要研究内容与结论如下：针对三维表面单裂纹模型,当初始裂纹形状c/a>1时,最深处的应力强度因子值大于自由表面处应力强度因子值,随着裂纹的不断扩展,前缘会渐渐趋于稳定的圆形。而对于三维非等大共面表面双裂纹,较大的裂纹扩展速率大于较小的裂纹。开始时2条裂纹均沿光滑的样条曲线扩展,后来受到另一条裂纹的影响,在彼此接近处,由于应力放大作用,此部位的应力强度因子变大,扩展速率也会高于裂纹前缘其他部位。