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有限元模型下航天气瓶裂纹过载控制研究

孙世超  
【摘要】:在我国航空、航天事业的发展过程中,国内普遍采用37SiMnCrNiMoV超高强度钢作为高压气瓶的制造材料,但是由于37SiMnCrNiMoV超高强度钢对于环境的敏感性,使得出现的大部分问题为应力腐蚀断裂问题,因此应力腐蚀断裂门槛值成为其研究的重点。 本文通过改进的应力强度因子计算方法,考虑了前后表面对裂纹的共同影响,分别对航天气瓶的三个部分进行了断裂评定,得出应力峰值最高区,不一定是气瓶整体部分断裂易发生的最危险区,由于受气瓶瓶体厚度方向应力梯度影响及局部补强作用,使得气瓶瓶嘴过渡段成为断裂最易发生的危险区。 此后采用MSC.MARC2010有限元软件建立裂纹模型,并对模型不同的裂纹区域采用不同的网格划分方法,针对裂纹尖端奇异性采用退化的20节点单元进行网格划分,得到趋于稳定的J积分值,并将得到的值用于裂纹前端应力强度因子的计算,与通过公式计算得到的结果极为接近,表明网格的划分是精确的;此后,完整的模拟了含裂纹的平板拉伸的过程,并通过过载模拟得到在加载过程中裂纹首先起裂的部位,一次过载确实提高了裂纹尖端残余应力的值,同时对模型进行了二次加载,看到二次过载循环结束以后裂纹尖端残余应力的值有增大的趋势,说明过载确实提高了裂纹尖端抵抗发生脆性断裂的能力;随后通过实验进行了验证,过载确实在提高残余应力、改善裂纹尖端塑形变形方面具有一定的有利作用,但当过载次数达到一定量时,这种有利作用不会明显的增加,反而会引起一定的材料硬化等不利现象的发生,所以盲目的增加过载次数不仅对于实验材料和过程是一种浪费,而且可能会带来不利的影响,应综合考虑过载次数有利与不利的影响,寻求较为合理的过载次数。 最后根据实际情况引入了小子样分散系数法,由于航天气瓶相对应力腐蚀门槛值在小子样容量条件下往往偏离实际统计值,本文提出将小子样分散系数引入航天气瓶相对应力腐蚀门槛值中,考虑了可靠度、置信水平和实验过载次数因素的影响,更趋近于实际统计值,为应力腐蚀门槛值相对系数理论值及过载次数的合理性提供了新思路,具有一定的实验参考价值,为确定合适的相对应力腐蚀门槛值及其过载次数提供了统计学支持,具有一定的指导意义。


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