振动条件下玻璃材料裂纹扩展行为的数值模拟及实验研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:bupingzhenren
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SiC陶瓷具有硬度高、热导率高、耐热性好、热变形系数小等优异性能,因此成为90年代以来空间反射镜片的首选材料。但是,SiC反射镜部件在制备过程及后续加工过程中不可避免的存在裂纹,而反射镜在发射至预定轨道过程中,要承受来自发动机推力脉动变化引起的正弦振动和航天器起飞时排气噪声及高速飞行时气动噪声所引起的随机振动,这会促进材料内部原始裂纹加速扩展,并导致材料的最终断裂。由于这种断裂往往发生突然,造成无法弥补的灾难性事故,因此开展振动环境下碳化硅材料裂纹扩展行为的研究具有重要的现实应用意义。  本文主要采用模拟与实验相结合的方法开展脆性材料在振动条件下裂纹扩展行为的研究。由于开展振动条件下SiC材料裂纹扩展实验所需时间长,且所需试样数量大,材料及加工成本高,因此,本文首先选择典型的脆性玻璃材料作为研究对象,对其进行振动条件下裂纹扩展行为的研究。  以能够良好拟合脆性材料损伤行为的内聚力理论为理论依据,使用有限元软件Abaqus建立模型,针对本文振动加载条件,拟定隐式静力学多项式型Ф函数和显式动力学指数型Ф函数两种模拟裂纹扩展方案,并对所需参数进行选择、计算及优化。建立玻璃体系的二维裂纹扩展模型,模拟振动频率介于100rad/s~1000rad/s、振幅1mm~5mm之间的裂纹扩展行为。  开展振动条件下玻璃材料裂纹扩展行为的实验研究。采用维氏硬度计压痕法预制裂纹,利用ZD-TF型水平振动台进行定频正弦全波振动实验,分析振动条件下裂纹扩展过程,得到频率对裂纹扩展的影响规律。  开展水平振动条件下SiC材料裂纹扩展行为的三维模拟计算,振动频率介于100rad/s~1000rad/s之间,振幅介于3mm~5mm之间。通过计算获得主裂纹扩展的具体形式,以及振幅一定时频率对裂纹扩展行为的影响,频率一定时振幅对裂纹扩展行为的影响规律;并计算振动频率分别为600rad/s、800rad/s、1000rad/s,振幅为5mm,裂纹方向与振动方向夹角为0°、30°、45°、60°、90°时裂纹的扩展行为,考察裂纹与振动方向夹角对裂纹扩展行为的影响。
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