镍基高温合金动态断裂性能的数值模拟与Hopkinson杆冲击实验研究

摘要

镍基高温合金因其在较宽的温度范围内有着良好的机械及力学性能，同时又有着良好的经济性，目前被广泛的应用于航空航天领域中。GH4169 镍基高温合金作为一种沉淀强化型变形高温合金，因其优异的力学性能表现被广泛的应用于航空发动机涡轮盘及涡轮叶片上。此外，近些年该材料还被应用于核工业及石油管道当中。航空发动机工作时，其内部各构件往往承受着较为严苛的工作环境如：高温、高压、强冲击载荷等。相关研究发现，断裂失效是机械结构的失效行为中一种极为重要的方式。工作在航空发动机上的部件在承受冲击载荷作用下，结构因内部缺陷而发生的动态断裂则是构件失效行为中最为严重的方式。　　航空发动机结构材料发生动态断裂通常是由其内部所存在的微裂纹导致的，所以对由GH4169镍基合金制成的含预制裂纹试样的动态韧度KID进行相关实验及数值研究就变得尤为重要。其中，在通过近似公式法求解动态应力强度因子曲线时， Williams教授采用的等效刚度为不含裂纹梁的等效刚度，这导致最终通过近似公式法计算出的 KID往往比数值模拟计算出的值小。本文通过对含预制裂纹试样进行模态分析，获得了裂纹梁的一阶固有频率。在试样起裂时间监测方面，之前的很多研究工作中均通过操作简单、适应性强的应变片法进行监裂，但应变片贴片位置却始终没有统一的标准。本文通过霍普金森实验台、高速摄像系统并结合有限元模拟，最终确定出应变片法监裂中合理可靠的贴片位置。其中，有限元模拟时采用通用有限元软件ANSYS-LSDYNA，但该有限元软件中并没有GH4169镍基变形高温合金的本构。本文通过实验获得不同应变率下的材料应力—应变曲线，进而拟合出GH4169的Johnson-Cook本构方程。同时，材料在高应变率下会发生绝热温升现象，本文对此进行了绝热修正获得了修正过后的JC本构方程参数。　　此外，为保证应变片法监裂中应变片粘贴位置的有效性，本文基于高速摄像系统及应变场后处理软件 GOM Correlate，对应变片法监裂的试样进行了动态加载过程中实时追踪，并获取了其裂尖附近主应变场方向。实验结果与有限元模拟结果十分吻合，验证了有限元确定的贴片位置的合理及有效性。同时，与动态压缩实验中压缩试样需达到动态平衡相类似，对于动态断裂实验：断裂试样对称于裂纹线两侧在试样发生开裂前也应达到动态平衡。本文在进行动态断裂实验的同时，利用上述设备对试样裂尖附近应变场进行追踪，结果发现在裂纹开裂前左右两端已达到动态平衡。这有效的实现了应力波效应与应变率效应的解耦，保证了实验结果的有效性。　　综上所述，文中通过对试样一阶固有频率修正过后的弹簧质量模型来获取了GH4169 镍基变形高温合金在不同加载率下的动态应力强度因子，在这个过程中为了保证加载点处动态载荷与测点处动态载荷的一致性，实验过程中采用了应力波整形技术。同时考虑到入射杆楔形头的存在对应力波传播所带来的影响，文中对动态载荷求解过程进行了修正，获得了更为准确的加载点处冲击载荷；通过实验及数值模拟确定了应变片法监裂中，适用于本文加载率下应变片的合理位置，保证了裂纹起裂时间的准确性。由以上两者最终获得GH4169镍基合金在不同加载率下的动态起裂韧度。

目录

声明

1 绪论

1.1 课题来源

1.2 课题背景与研究意义

1.3 GH4169国内外研究现状概述

1.4 动态断裂研究现状综述

1.5 本文主要研究内容及目的

2 金属材料动态冲击实验理论基础及实验研究

2.1 引言

2.2 弹簧质量模型求解动态应力强度因子

2.3 一维弹性波理论基础

2.4 弹性波整形技术实验研究及其有效性验证

2.5 小结

3 GH4169镍基合金动态起裂时间数值模拟与实验研究

3.1 引言

3.2 三点弯曲试样动态冲击测试

3.3 动态冲击过程数值模拟

3.4 应变片粘贴位置有效性验证

3.5 本章小结

4 镍基高温合金GH4169动态断裂性能实验研究

4.1 引言

4.2 动态断裂实验设计

4.3 动态起裂韧度测试实验

4.4 实验结果讨论与有效性验证

4.5 本章小结

5 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

致谢

参考文献

个人简历、在学期间发表的学术论文及取得的研究成果