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《中国工程物理研究院》 2001年
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局部热载作用下内压圆柱壳壁的膨胀、颈缩和破坏

任小彬  
【摘要】: 激光的热和力学效应是激光破坏机理研究的重要内容,低功率密度激光辐照 各种受载结构所引起的热—力耦合破坏效应对激光破坏机理的研究具有重要的 意义。本文以受内压的柱壳结构为对象,从实验和数值模拟两方面对其在低功率 连续波激光辐照下的变形和破坏进行了研究。实验上选用的柱壳内半径为25毫 米,壁厚分别为2毫米和4毫米。用高压氮气瓶对柱壳进行充压,用气压表对内 压大小进行监控。用乙炔氧火焰模拟低功率连续波激光对充压柱壳进行辐照,柱 壳内表面的温度随时间的变化用热电偶进行测量,内表面的热斑大小由红外热像 仪测量。实验过程中发现,当p/p_b=0.08和0.157时,在乙炔氧火焰的作用下, 充压柱壳首先在其受热区局部出现大变形鼓包现象,随着鼓包越变越高,最后在 鼓包区的顶端出现沿轴向的宏观裂纹,导致柱壳结构发生泄压失去承载能力。通 过对回收试件进行金相分析发现柱壳在破坏之前其壳壁经历了比较大的颈缩变 形,最后裂纹萌生于颈缩最厉害的地方即热斑区中心的外表面处然后向厚度方向 和轴向扩展导致柱壳的热弹塑性断裂失效。当p/p_b=0.04时,柱壳在受热区局 部只出现轻微的鼓包现象,柱壳在受热区中部和边缘都出现了宏观裂纹,但发生 贯穿的是光斑边缘的裂纹,同时从回收后的试件看,截面没有明显的颈缩。 数值模拟方面采用大型通用有限元非线性结构分析三维程序ANSYS对该问 题进行了计算,用热—力程序解耦的方法计算了充压柱壳在低功率密度激光辐照 下的变形和应力分布。计算结果表明当p/p_b=0.082和0.157时,充压柱壳在低 功率密度激光的辐照下在其光斑区中心首先出现大变形鼓包现象,进而使鼓包区 的壳壁产生颈缩。颈缩导致在该处壳壁上产生应力集中,使得在颈缩区的中心处 外表面的环向应力最先达到对应温度下材料的抗拉强度,由此得出,裂纹首先萌 生在光斑区中心处的外表面上。计算结果与实验现象完全吻合。
【学位授予单位】:中国工程物理研究院
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2001
【分类号】:TN249

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【引证文献】
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【参考文献】
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【同被引文献】
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