最早开始研究粘弹性断裂力学的是Williams[3],他将Griffith得到的断裂判据推广到粘弹性介质的断裂以研究球形空腔速率相关的扩展问题,从而发现裂纹的起裂依赖于历史载荷。对于线粘弹性物体材料中未扩展的稳态裂纹,可以采用弹性-粘弹性对应原理,从而可以求得过程区的位移场和应力场[4]。由于蠕变过程中裂纹面随时间不断发生变化,导致断裂能不随时间变化,此时可将弹性体的断裂能乘以一时间函数[5]。若材料的蠕变率表现为常数的幂函数形式,则对于变形很小的蠕变及其稳态裂纹扩展情形,可以采用应力强度因子和裂纹扩展速率来表征。对于裂尖前缘非线性蠕变断裂问题,脆性蠕变断裂的方法便不能使用。对于线粘弹性体裂纹特性进行数值分析,分析的结果表明应力强度判据对于迟延断裂并不适用[6]。裂纹尖端张开位移(简称COD)是由Wells于1965年提出的一个可以用来表征断裂的物理参量。其物理含义是指,裂纹体在受到外载的情况下裂纹尖端在垂直于裂纹线的方向上产生的位移。COD准则就是指当裂纹张开位移达到临界值(材料弹塑性断裂韧性的指标)时,裂纹开始发生开裂。Rice[7]于1968年提出了J积分原理,J积分具有守恒性,可定量描述裂纹体的应力、应变场强度。J积分是指当裂纹扩展单位面积时裂尖区域吸收的能量[8]。J积分准则相比于COD准则,其理论依据更加可靠严密、定义明确。可用有限元等方法算得平面问题各种形状的结构在不同受力的情况下的J积分。而COD公式只能处理简单的几何形状和简单的受力情况下的问题。
现如今,作为弹塑性断裂力学中的重要断裂参数,J积分和J积分阻力曲线在实际工程中被广泛应用。杨晓翔[6]便采用了J积分方法对橡胶的断裂韧性进行了研究测定。1989年Bramuzzo[9]采用频闪摄影技术研究了聚丙烯聚合物材料,并通过弯曲试验研究不同橡胶含量的聚丙烯聚合物的冲击韧性,结合断裂力学准则总结了其断裂情况,获得了裂纹张开位移COD、裂纹扩展速度等断裂力学参数。Crouch[10]在1994年采用多试样法和J积分原理,利用含单边穿透裂纹三点弯曲试样进行实验,通过J积分阻力曲线对橡胶增韧尼龙的断裂韧度进行了研究。25468
固体火箭推进剂材料的基本特性与橡胶类似,2005年Rao[11]采用紧凑拉伸试样对HTPB固体推进剂进行了试验研究,采用非接触式视频引伸计观察裂纹,成功测量了裂纹张开位移COD的大小,并利用J积分阻力曲线估算了固体推进剂的平面应变断裂韧性值。1998年,针对固体推进剂Knauss[12]进行了断裂实验研究,从裂纹的扩展过程中观察到,裂尖处的应变影响裂纹的扩展过程。国内同样有很多学者对固体火箭推进剂的断裂力学进行了深入的研究,并且取得了很大成果与进展。尹华丽等[13]从绝热层、包覆层、工艺等多个方面讨论了影响界面粘结性能的因素,并提出了改善界面粘结性能的方法和途径。论文网
2000年邢耀国[14]等人采用X射线实时成像系统进行实验研究,成功记录了含裂纹推进剂试样的燃烧实验现象,而且采用粘弹性有限元法计算出了试样的应力应变状态,并通过J积方法对裂纹扩展的可能性进行了预估。刘朝丰[15]利用声发射试验系统采用紧凑拉伸试样进行了实验,研究了HTPB固体推进剂的I型裂纹断裂韧性,通过振铃计数确定了临界裂纹载荷。2007年,张亚[16]采用单向拉伸试验对含裂纹的HTPB复合固体推进剂进行研究,并用摄像机观察记录了推进剂裂纹的扩展过程,得到了不同裂纹倾斜角下的载荷-位移曲线和断裂载荷。以此可见,国内对于固体火箭推进剂界面粘接性的研究得到了重视和应用,本文的实验研究也会对其有促进意义。
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