隨機(jī)振動疲勞試驗(yàn)的小裂紋擴(kuò)展分析方法

張允濤，宋少偉，王 珺

(液體火箭發(fā)動機(jī)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710100)

0 引言

振動環(huán)境下的疲勞失效是液體火箭發(fā)動機(jī)推進(jìn)劑管路等結(jié)構(gòu)的一種典型失效模式，其主要特征是共振疲勞及累積疲勞損傷。目前，工程領(lǐng)域處理振動疲勞問題以疲勞分析方法為主，鮮有采用斷裂力學(xué)方法進(jìn)行分析的完整范例?；跀嗔蚜W(xué)的裂紋擴(kuò)展分析方法是結(jié)構(gòu)疲勞耐久性分析的另一種途徑，在飛機(jī)結(jié)構(gòu)的壽命評估和損傷評定方面取得了顯著成效，為液體火箭發(fā)動機(jī)管路等結(jié)構(gòu)的振動疲勞分析提供了很好的借鑒。

工程結(jié)構(gòu)的裂紋擴(kuò)展分析以線彈性斷裂力學(xué)應(yīng)用最為廣泛，該方法以裂紋頂端的應(yīng)力強(qiáng)度因子(stress intensity factor，SIF)

K

為主要表征參量，適用于小范圍屈服條件下的宏觀長裂紋問題。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室經(jīng)驗(yàn)，液體火箭發(fā)動機(jī)管路等結(jié)構(gòu)的振動疲勞總壽命受裂紋萌生階段的小裂紋(也稱為短裂紋)主導(dǎo)。小裂紋通常指長度小于1～2 mm的裂紋，眾多研究表明，裂紋長度在10 μm～1 mm的小裂紋階段的擴(kuò)展行為與同種材料的長裂紋擴(kuò)展行為存在明顯的差異。在相同的名義應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍Δ

K

的作用下，小裂紋的擴(kuò)展速率高于長裂紋，并且在低于長裂紋擴(kuò)展門檻值Δ

K

的情況下小裂紋仍能擴(kuò)展，即所謂的“小裂紋效應(yīng)”。因此，使用長裂紋試驗(yàn)得出的裂紋擴(kuò)展數(shù)據(jù)對小裂紋階段的壽命作預(yù)測會導(dǎo)致偏危險的結(jié)果。Newman和吳學(xué)仁等的研究發(fā)現(xiàn)，裂紋閉合現(xiàn)象是導(dǎo)致長裂紋與小裂紋擴(kuò)展行為差異的主要原因?！?br>