验证试验过载对航天器瓶裂纹扩展影响效果的研究

论文摘要

在航天工程领域,由于对飞船发射重量的限制,要求随船零部件最大的轻量化。作为环控生保系统的高压氧容器也不例外。因此在安全、可靠、减重等众多设计因素的平衡取舍过程中,对材料的选用和设计是最重要的。按照一般意义上的压力容器断裂安全控制方法,要通过适当的选材、设计和制造来提高结构抵抗断裂的能力,但作为安全可靠性要求达到百分之百的航天气瓶,还应当建立合适的断裂控制条件,使那些不能可靠地保证安全的气瓶在验证试验中被淘汰。主要考虑的选材因素有包括以下方面:(1)材料的质量/强度比尽可能小,保证轻量化;(2)材料的性能可以本身或通过防护措施在高压氧条件下长期稳定;(3)材料有可以接受的成型、焊接、加工性能;(4)满足飞行环境要求;(5)尽可能降低加工成本。事实上,因为国际上载人航天已经有40年的历史了,在宇航员的生命保障和环境控制技术领域中,高压氧容器的制造技术和材料不断进步。由于各国资源、财力和发射目的的不同,在供氧方式上有很大差异,导致气瓶结构和材料的选用各有特色。虽然航天复合气瓶的发展已经提供了质量轻,安全性好的许多产品,但由于储氧环境的特殊性,现在世界上仍然以金属气瓶作为主要航天高压氧容器。超高强度钢就是根据这种需求为适应航空航天技术需要而发展起来的一种高比强度的结构材料。对于超高强度钢,随着其强度水平的提高,在远低于设计应力的情况下,发生低应力爆破的危险性也随之增大。由于超高强度钢结构对环境具有较大的敏感性,因此超高强度钢应力腐蚀门槛值是影响气瓶安全性的最重要的材料性能,但如果采用测定断裂韧度的裂纹试件来测定超高强度钢的应力腐蚀门槛值,则将因为制备疲劳裂纹的交变载荷在裂纹尖端区形成的硬化效用及残余应力场对测试结果产生较大影响,成为超高强度钢应力腐蚀门槛值测试的特殊问题。本文采用预制裂纹特殊方式,试验研究了气瓶用超高强度钢37SiMnCrNiMoV的应力腐蚀门槛值的测定方法并得到其测试值,在此基础上得出为气瓶施加的过载量和过载次数对应力腐蚀门槛值的影响,通过研究过载引起的裂纹尖端附近的塑性变形区、残余应力场及材料硬化区的规律,并利用正交试验优化设计方法提出了气瓶最佳过载参数的取值参考范围,避免了盲目的增大过载次数和过载量,加快了试验进程,节约了实验成本,并达到了确定优化工艺参数组合的实验目的。此外还使用有限元分析软件MSC Marc2000,对表面裂纹体进行了建模计算,通过计算裂尖附近的残余应力、塑性区和塑性变形随载荷循环的变化,研究了气瓶经受不同过载条件时的断裂条件,为建立断裂控制方法提供了理论支持。在上述试验研究和计算研究工作的基础上,本文分析研究了验证试验过载过程对裂纹的影响。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 超高强度钢简介
• 1.1.1 超高强度钢的性能要求
• 1.1.2 超高强度钢的分类
• 1.2 应力腐蚀简介
• 1.2.1 应力腐蚀现象
• 1.2.2 应力腐蚀发生的条件和特征
• 1.2.3 应力腐蚀的试验方法
• 1.3 超高强度钢的应力腐蚀
• 1.4 航天用超高强度钢气瓶安全性评价方法及研究基础
• 1.5 验证试验过载过程可能产生的影响
• 1.6 研究路线
• 1.6.1 试验研究
• 1.6.2 计算研究
• 2 过载对裂纹体影响的试验研究
• 2.1 裂纹体简介
• 2.1.1 裂纹扩展的基本形式
• 2.1.2 裂纹尖端应力场
• 2.2 试验研究方法
• 2.3 过载对超高强度钢应力腐蚀门槛值的影响
• 2.3.1 超高强度钢应力腐蚀门槛值的测定
• 2.3.2 过载对超高强度钢应力腐蚀门槛值的影响
• 2.4 过载参数的比较
• 2.4.1 一次过载条件下的应力腐蚀门槛值
• 2.4.2 多次过载条件下的应力腐蚀门槛值
• 2.4.3 不同过载条件下的应力腐蚀门槛值
• 2.5 最佳过载量和过载次数的确定
• 2.5.1 正交试验研究方法简介
• 2.5.2 正交试验方法
• 2.6 本章小结
• 3 过载对裂纹体影响的计算研究
• 3.1 计算研究方法
• 3.1.1 MSC.Marc 有限元软件简介
• 3.1.2 计算流程图
• 3.2 计算模型
• 3.2.1 几何建模、生成网格
• 3.2.2 定义裂纹
• 3.2.3 定义材料性能
• 3.2.4 定义接触条件
• 3.2.5 施加边界条件
• 3.3 计算过程和结果
• 3.3.1 定义工况和提交作业
• 3.3.2 应力场计算结果
• 3.3.3 应力场强度因子计算
• 3.4 不同过载条件下的应力分布和塑性区
• 3.4.1 一次加载对裂尖塑性区、塑性变形量和残余应力的影响
• 3.4.2 多次加载对裂尖塑性区、塑性变形量和残余应力的影响
• 3.5 本章小结
• 4 结论
• 参考文献
• 附录A 应力腐蚀门槛值计算的VB 编程
• 在学研究成果
• 致谢