舰炮抽筒子疲劳裂纹扩展分析与试验

摘要

抽筒子是炮闩抽壳机构的重要部件，在抽壳过程中由于受到较大的应力作用极易产生疲劳裂纹，在连续的作业下裂纹会发生扩展，甚至出现断裂现象，因此，开展对炮闩抽筒子的疲劳裂纹扩展寿命研究，对确保抽壳机构的可靠性和舰炮的战斗力有着十分重要的意义。本文以某炮的炮闩机构为研究对象，对抽壳作用力进行了理论分析，采用实验法研究了炮钢的断裂韧度和裂纹扩展速率，结合扩展有限元法探索了抽筒子裂纹扩展的规律，获取了抽筒子材料的断裂公式，并对抽筒子的裂纹扩展影响因素做了探究。
　　首先，对抽筒子的断裂机理展开了探究。以疲劳裂纹扩展方程与扩展速率方程为依托，从材料的阻碍裂纹扩展的功能及承受载荷的两个方面，研究了控制疲劳裂纹扩展速率的几个要素。得到了设置几组各异的应力比、断裂韧度、参数C、参数m时，裂纹扩展与应力强度因子幅值的相对关系。也讨论了材料的裂纹生长速度的试验结果与工程应用。
　　然后通过对抽筒子材料做了断裂韧度试验，使用标准的三点弯曲试样，对45CrNiMoVA材料的断裂韧性做了研究，给材料阻碍裂纹扩展的能力找出了断裂力学依据。试验得出，45CrNiMoVA的材料断裂韧性值是73.2155MPa·m1/2。由45CrNiMoVA材料CT试样在室温下的疲劳裂纹扩展速率试验，得到了疲劳裂纹扩展量a与反复加载次数 N的关系，并确定了裂纹扩展速率与应力强度因子的关系，建立了计算45CrNiMoVA材料裂纹扩展寿命的Paris公式。
　　再以弹塑性力学为依据，对炮膛和药筒之间的抽壳力做了理论计算。结合柔体动力学方法，在 ABAQUS中对抽筒子进行了分析，找出了抽筒子易发生断裂的危险部位和应力值。将抽筒子的裂纹特征简化为含边缘裂纹的板状结构，通过扩展有限元法计算了裂尖应力强度因子，再和理论计算结果做比较，验证了方法的可行性，并绘制了应力强度因子范围和裂纹长度的关系曲线。
　　最后，建立抽筒子的裂纹扩展寿命评估方法，基于Paris断裂公式，预估抽筒子的裂纹扩展寿命。基于扩展有限元方法，对抽筒子进行裂纹扩展模拟分析，研究了载荷条件、裂纹特征对裂纹扩展寿命的影响。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题研究的背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文主要内容及结构框架

1.4 本章小结

第2章 含裂纹炮钢的疲劳裂纹扩展规律研究

2.1金属材料疲劳裂纹扩展规律

2.2 应力强度因子

2.3 炮钢材料裂纹扩展影响因素分析

2.4 本章小结

第3章 45CrNiMoVA疲劳裂纹扩展规律的试验研究

3.1 45CrNiMoVA断裂韧度测试

3.2 45CrNiMoVA疲劳裂纹扩展规律研究

3.3 本章小结

第4章 抽筒子的力学性能分析

4.1 炮闩机构简介

4.2 抽壳力的计算

4.3 柔体动力学模型的建立

4.4 扩展有限元法求解应力强度因子

4.5 本章小结

第5章 抽筒子疲劳裂纹扩展寿命评估

5.1 抽筒子疲劳裂纹扩展寿命的评估

5.2 基于XFEM法的抽筒子裂纹扩展仿真

5.3抽筒子裂纹扩展影响因素分析

5.4本章小结

总结与展望

参考文献

攻读硕士期间获得的研究成果

致谢