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。     

4点弯曲载荷作用下残余应力与弹性模量比对涂层/基体材料界面能量释放率的影响

采用有限元计算方法研究了在4点弯曲载荷作用下,残余应力、涂层与基体的弹性模量比(简称弹性模量比)对涂层/基体材料界面能量释放率及其相角的影响。结果表明:能量释放率随着残余拉应力、弹性模量比的增大而增大;能量释放率中的相角也随着残余拉应力的增大而增大,但并不敏感,其随着弹性模量比的增大而减小。研究结果可为评价涂层/基体材料界面结合性能提供理论依据,有助于深化对涂层/基体材料界面结合性能的认识。     

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。     

拉伸载荷作用下基体表层激光离散预处理对铬镀层／45钢基开裂行为的影响

采用激光离散预处理钢基体再电镀铬层技术得到了一种新型复合结构,研究了这种新型复合结构在拉伸载荷作用下的开裂行为特征,并与无激光处理钢基体的试样在同样试验条件下的开裂特征进行了对比分析。结果表明：有激光离散预处理钢基体试样的承载能力要高于无激光预处理钢基体试样的承载能力,且有激光处理的试样开裂区域在两个激光带之间（无激光处理区）,主裂纹呈现明显的周期性特征。本研究结果可归结为激光预处理钢基体不仅改善了基体表层的应力状态和力学性能,而且还改善了后续铬镀层的力学性能。     

残余应力对身管内膛裂纹应力强度因子的影响

自紧技术通过施加自紧压力使身管内膛发生塑性变形,以产生残余应力增大身管强度,也是提高身管使用寿命的有效方法。为了研究残余应力对身管内膛裂纹的影响,建立了具有残余应力的身管扩展有限元模型,计算了不同自紧度的身管在残余应力场作用下,内膛表面裂纹的强度因子,分析了自紧残余应力和裂纹深度对裂纹应力强度因子大小的影响。同时,在连续射击后发生残余应力释放的条件下,计算了自紧身管的残余应力的变化规律和表面热应力对裂纹应力强度因子的影响。结果表明：自紧残余应力能有效抑制身管裂纹的扩展,提高疲劳寿命,其抑制效果与残余应力的大小成正相关,自紧身管在射击后,热载荷作用下,表层的残余应力由压应力变成拉应力,其他区域切向残余应力数值也相应减小,残余拉应力使身管表层更容易开裂。     

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。     

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。     

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。     

残余应力作用下脆性膜/基材料的断裂行为

假定膜内的残余拉应力足以使膜发生开裂,利用膜/基材料中含弹性界面层的剪滞模型,研究了脆性膜/基材料在残余应力作用下的开裂行为特征,探讨了膜内正应力、膜/基界面切应力的分布规律,获得了膜的裂纹密度与残余应力大小之间的解析表达式。在裂纹密度、材料的力学和几何参数确定的情况下,该解析表达式可以用来评估残余应力的大小。最后,分析了膜的裂纹密度与残余应力、膜的厚度、弹性模量、断裂强度以及界面层的切变模量之间的内在关联,绘出了这些参数影响膜裂纹密度的变化曲线。     

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。     

关于铝合金LD10CS的K_(1SCC)值

本文用DCB试样测量铝合金LD10CS的应力腐蚀界限应力强度因子K_(1SCC)。如果用通常方法测试,只能测得表观的K_(1SCC)值。采用间断停加介质方法能加速应力腐蚀裂纹的扩展,并使已达到截止速度的裂纹继续扩展,因而能测得更低的K_(1SCC)值。对比和分析实验结果,说明铝合金的应力腐蚀开裂可能存在真正的界限应力强度因子K_(1SCC)值。     

关于高强度铝合金 LY12cz 应力腐蚀开裂性能的研究

本研究采用DCB试样测试研究了LY12cz铝合金在3.5%NaCl、饱和NaCl及3.5%NaCl+混合缓蚀剂水溶液中应力腐蚀K_1scc及da/df值;详细研究了Cl~-离子浓度及混合缓蚀剂的作用机理。断口形貌分析表明,LY12cz铝合金在含Cl~-离子水溶液中应力腐蚀开裂断口形貌主要是沿晶断裂,并具有岩石状沿晶断裂特征。上述混合缓蚀剂虽能改善其应力腐蚀开裂性能,使其裂纹扩展速率显著降低,但不改变其断裂特征。     

氧化锆陶瓷Ⅱ-Ⅲ复合型裂纹的综合相变增韧作用

采用综合相变准则和应变能释放率判据对氧化锆陶瓷Ⅱ-Ⅲ复合型裂纹的增韧结果进行了理论计算。分别给出了静止裂纹和定常扩展裂纹相变增韧的理论表达式。结果表明:综合相变对静止裂纹有微小的负屏蔽效应,对扩展裂纹的增初结果与材料的剪切模量、相变尾区高度和相变体积分数成正比,并且增韧值随着K_Ⅲ/K_Ⅱ比值的增大而减小,表明相变对Ⅱ型裂纹的增韧效果相对Ⅲ型裂纹更显著。     

一种定征层状平面结构界面粘接强度的兰姆波方法

置于层状平面结构表面的斜劈超声换能器被用于激发和接收多模兰姆波。文章首先分析了采用多模兰姆波的幅频特性定征界面粘接强度的可行性。基于Ritec-SNAP 超声测量系统,建立了采用兰姆波方法定征层状结构界面粘接强度的实验系统。对于给定的层状平面结构,将粘接层的固化过程用于模拟粘接层界面强度的变化过程。对于不同的粘接层固化时间,实验测得的多模兰姆波幅频曲线明显不同。借助于声——超声技术中的应力波因子,给出了兰姆波应力波因子的定义。实验结果显示,兰姆波应力波因子与间接表示界面粘接强度的固化时间之间存在确定的单调对应关系,表明将多模兰姆波的应力波因子用于定征层状平面结构的界面粘接强度是可行的。     

线粘弹性材料中三维裂纹问题的加料有限元法

将加料有限元法扩展应用于线粘弹性材料三维断裂问题.为了反映裂纹尖端的奇异性,在裂尖附近的奇异区采用若干八节点六面体加料单元和过渡单元,非奇异区采用常规八节点六面体单元.三种单元分区混合使用形成求解域网格划分.基于Boltzmann叠加原理,推导了粘弹性材料的增量型本构关系,进而获得了增量加料有限元列式,并通过附加自由度计算粘弹性介质中裂纹应变能量释放率.数值算例验证了方法的正确性和有效性.     

压电-正交基体复合半圆柱的界面端部开裂问题研究

建立了半圆柱形压电-正交基体复合材料界面端部开裂问题的力学模型,其中压电层为锆钛酸铅铁电陶瓷,基体为正交异性聚乙烯复合材料。综合利用位错模拟法、格林函数法和奇异积分方程法,对裂纹问题进行了理论分析。通过对应力强度因子进行数值求解和讨论,揭示了几何、物理参数对断裂行为的影响规律。从界面端部止裂的角度出发,找到了压电复合半圆柱的2种优化设计形式:一种是将"较软的内部基体"和"较硬的外部压电层"相结合;另一种是采用正交各向异性介电材料作为基体。另外,数值计算还表明:与剪切模量变化对应力强度因子的影响相比,压电系数和介电系数变化的影响至少要小2个数量级,因此后面二者对结构防断裂优化设计没有显著的实际意义。     

空气弹簧强度分析

应用复合材料理论,对空气弹簧的单层帘线橡胶的应力-应变关系及力学参数进行了计算.运用有限元方法对空气弹簧进行了应变分析,用所得到的数值结果,结合多层帘线橡胶的力学特性以及单层帘线橡胶的强度理论,对空气弹簧进行强度分析.计算结果表明,囊体的载荷主要由帘线承受.     

激光熔覆搭接过程残余应力应变的有限元计算

激光熔覆过程中产生的残余应力与应变对熔覆层的裂纹开裂倾向有重要影响。利用有限元法对激光多道搭接过程熔覆层的残余应力和应变进行计算,计算过程中主要考虑瞬时温度变化引起的热应力、σ-ε曲线、有限元网格、力学边界条件4个方面。热应力主要在温度场计算结果的基础上求得;σ-ε曲线采用的是线性强化材料的弹塑性曲线;有限元网格主要采用分区划分的形式进行。通过计算,得到了搭接后的熔覆层上关键点的残余应力和应变分别为1 400 MPa和2.2×10^-2。结果表明：搭接熔覆层交界处的点产生焊趾裂纹的倾向最大,第1道熔覆顶点处产生横向裂纹的倾向次之。     

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。