0 引　言

某水下航行体在发射出筒后，首先在水中进行竖直向上的运动，直至完全离开水面。随后，它在空中自由飞行，达到最高点后开始下落。为避免航行体回落入水后与水中结构物发生碰撞，采用减阻装置对航行体下沉弹道及速度进行控制^[1-2]。当再次进入水中时，航行体会经历下沉的过程，直至达到最低位置。在此过程中，由于水下航行体回落入水中，在下沉过程中，受到水流的强烈冲击，减阻结构迅速张开，航行体迎水面积的增大使其速度迅速减小。当减阻结构到位时，会突然制动，这一瞬间的变化使得减阻结构承受了巨大的水动力冲击载荷。由于这种强烈的冲击，减阻结构的本体以及与其相连的耳座部分都会产生显著的冲击应力和应变。在这个过程中，材料在承受冲击载荷时所受到的影响和作用十分复杂，是多物理场耦合作用下的现象^[3]。水动力冲击消失后，其造成的弹性变形恢复，部分应力及塑性变形仍在结构中有所残余^[4]。每次受到冲击时，减阻结构都会产生一定的塑性变形，这些塑性变形逐渐累积，最终导致微裂纹损伤，成为较为典型的“层裂”现象，该现象最早于1914年由Hopkinson在其实验中发现并报道，因而也称“层裂”为Hopkinson断裂^[5]。许多学者对其产生的机理做了大量研究^{[6 − 7]}，发现层裂是由微观上细小的孔洞或裂纹生长而来^[8]，而结构微损伤的累计最终会导致减阻结构失效。某型减阻结构在试验中，根部耳座处受到冲击载荷，并发生断裂失效，影响航行体结构的安全性。

本文基于多尺度方法，从宏观力学特性及微观断裂分析2个方面研究减阻结构断裂失效现象，通过仿真计算，获取结构在瞬态冲击作用下的力学响应，且基于微观缺陷检测技术探究结构断裂面的失效机理，为大冲击部件结构安全评估提供理论指导与技术支撑。

1 断裂基础理论 1.1 裂纹扩展模型

目前，基于经典Paris公式给出的裂纹扩展模型在工程中得到了广泛应用^{[9 − 11]}。Paris公式是断裂力学中的一个重要模型，它描述了裂纹在循环加载条件下扩展速率与应力强度因子之间的关系。Paris公式建立了裂纹深度a随循环次数N的变化率da/dN与应力强度因子范围ΔK之间的数学关系。其关系式如下：

$ \frac{{{\mathrm{d}}a}}{{{\mathrm{d}}N}} = C{\left( {\Delta K} \right)^m}。$

(1)

式中：C和m为材料常数，需要通过实验来确定；C为裂纹扩展系数；m为裂纹扩展指数，它们共同描述了特定材料在给定加载条件下的裂纹扩展行为。

1.2 应力强度因子

应力强度因子表达式为^[12]：

$ \Delta K = Y\left( a \right)S\sqrt {{\text{π }}a}。$

(2)

式中：Y(a)为几何影响因子；S为名义应力范围。

1.3 断裂疲劳寿命

临界裂纹尺寸是材料在受到应力作用时，裂纹扩展至一定大小后导致材料破坏的关键尺寸。这一尺寸通常由材料的断裂韧性、结构所承受的最大循环应力以及几何修正系数等参数共同决定。断裂韧性反映了材料在准静态载荷下阻止宏观裂纹扩展的能力，而最大循环应力则代表了结构在疲劳载荷下所承受的最大应力水平。几何修正系数则是对裂纹形状和尺寸等因素进行修正的系数，以确保计算的准确性。基于疲劳裂纹扩展模型计算结构疲劳破坏时的疲劳寿命，如下式：

$ N = \frac{1}{{C{S^m}}}\int_{{a_0}}^{{a_c}} {\frac{1}{{{{\left[ {Y\left( a \right)} \right]}^m}{{\left( {a{\text{π }}} \right)}^{{m \mathord{\left/ {\vphantom {m 2}} \right. } 2}}}}}} {\mathrm{d}}a 。$

(3)

式中：N为疲劳循环次数；${a_0}$为初始裂纹尺寸；${a_c}$为临界裂纹尺寸。

由于材料的性能波动、载荷条件的变化、边界条件的差异以及计算模型的近似性，应力计算和几何修正系数计算中存在不确定性因素，结构的疲劳寿命在不同工况下表示为：

$ {T_f} = \frac{1}{{C{B^m}\Omega }}\int_{{a_0}}^{{a_c}} {\frac{{{\mathrm{d}}a}}{{B_Y^m{Y^m}\left( a \right) \cdot {{\left( {{\text{π }}a} \right)}^{{m \mathord{\left/ {\vphantom {m 2}} \right. } 2}}}}}}。$

(4)

式中：B为应力范围计算中的随机变量；B_r为几何修正系数Y(a)计算中的随机变量；$ \Omega $为应力参数。

2 基于流固耦合法的宏观力学性能分析

减阻结构与其周围流场相互作用相互，流场决定了水下航行体下沉过程中减阻结构张开时的表面压强分布及运动规律的同时，减阻结构的运动又影响着流场的变化。减阻结构张开过程中会受到固体摩擦、流体摩擦及惯性载荷的影响，而减阻结构周围的流体由于减阻结构的运动表现为高速粘性有旋流动并伴随着液体的气化，因此减阻结构的张开过程是一个非常复杂的流固耦合过程^[13]。

2.1 材料性能

减阻结构材料采用了18Cr2Ni4WA，其性能见表1，其具备高强度特性，能够承受较大的外力作用而不易损坏；同时，其拥有高韧性和高淬透性，能够在受力时展现出良好的变形能力，避免脆性断裂的发生，同时能够有效吸收和分散冲击力，提高结构的抗冲击性能。该材料还具有低缺口敏感性，即在应力集中区域也不容易出现断裂，进一步增强了结构的安全性和可靠性。减阻结构缓冲装置采用1Cr18Ni9Ti，做为奥氏体不锈钢，1Cr18Ni9Ti在塑性、韧性和冲压、延展方面具有良好的性能。

2.2 流固耦合仿真结果分析

在此基础上，对减阻结构在冲击载荷下张开过程的应力分布特性进行分析并校核结构强度。其基本流程如图1所示。

在计算中，采用LS-DYNA计算结构力学，Fluent实现流体力学计算。流体与固体域之间采用界面位移传递矩阵^[14]实现数据传递完成耦合计算。采用动网格技术实现航行体水下运动，为保证流固耦合计算的准确性，需要加密水下航行体和减阻结构周围的网格，而远离水下航行体及流动变化小的地方减少网格数量，编制UDF获取减阻结构表面压力及力矩分布规律^[15]。计算结果如图2和图3所示。

可知，减阻结构在张开到位制动的瞬间，在水动力的冲击载荷下，减阻结构棱边处最大应力为842 MPa。减阻结构根部危险截面小部分区域应力约为600 MPa，减阻结构其他大部分区域应力水平在200 MPa左右。在有限元数值计算中，考虑到网格质量的要求及计算规模的限制，棱边部位都采用直角建模，在减阻结构的设计及生产中，棱边部位均采用大圆角过渡，仿真结果较实际更为保守。

基于减阻结构周围的流体压强分布规律，用大型非线性有限元软件MSC.DYTRAN进行了减阻结构强度的复核复算。在减阻结构触头冲击缓冲装置直至将其完全压溃的过程中，减阻结构上棱边、耳座根部等危险点最大应力如图4所示。

可以看出，耳座根部的区域应力最大达到810 MPa。与LS-DYNA计算结果对比可知，2种计算方法在减阻结构应力分布特性基本相同，减阻结构最大应力值均在800 MPa附近。从而验证了流固耦合计算的有效性。减阻结构自张开到处于稳定状态的过程中，在水动力载荷作用下，减阻结构上最大应力均小于材料的屈服极限，承载件的强度满足安全性要求，因此结构设计不会导致减阻结构出现断裂失效。

3 基于微观检测技术的断裂缺陷分析

减阻结构断裂后勘验发现断面呈红褐色，断面上部有2个发黑的椭圆形痕迹，失效减阻结构的正面宏观形貌见图5，断裂位置发生在内部耳座连接孔处，整个断面没有明显的塑性变形，断口有3个特征区域，一个是靠近外壁的2处黑色区域，另外一种是占整个断口90%左右的红色氧化区域。在断面上有明显的扩展棱线，其棱线由2个黑色区域开始起源，向前及两侧扩展。在断面的边缘有明显的剪切唇，该为第3个特征区域。在2个黑色源区的中间有明显的交汇台阶，一个黑色区域较大，另外一个黑色区域较浅较小。可以初步推断，失效减阻结构整个断口表面氧化严重，断裂起源于黑色区域，并且有2个明显的源区，黑色区域较大的为主源区，另外一个为次源区。

对断面取样放入扫描电镜进行观察，整个断面都有一层氧化物存在。主源区放大形貌如图6所示，未发现明显的冶金缺陷，为穿晶+沿晶的脆性断裂特征。次源区放大形貌与主源类似，如图7所示，表面氧化严重，未发现明显的冶金缺陷，为穿晶断裂和少量沿晶断裂特征。对源区表面进行能谱分析，结果如图8所示，主要为Fe、O、C、Cr、Ni等元素。同时，在主源区断面上也存在有个别异常区域，如图9(a)中的光滑区域（方框处）以及图9（b）中的颗粒状区域（方框处）。扩展区放大形貌如图10所示，为韧窝+少量准解理断裂特征，对扩展区表面进行能谱分析，主要为Fe、O、C、Cr、Ni、Mg、S、Si等元素。剪切唇区放大形貌如图11所示，主要为剪切韧窝特征。

对断面中黑色区域和红色区域分别进行X射线衍射分析，其图谱分别如图12、图13所示。

对断面中黑色区域和红色区域分别进行X射线衍射分析发现，红色区域主要成分为β-FeOOH和γ-FeO(OH)，黑色区域主要成分为Fe₃O₄，而Fe₃O₄是高温氧化（一般温度要求在500 ℃以上）的结果，结合减阻结构的生产加工和使用过程，该原始缺陷是材料缺陷或在锻造和热处理时产生的。

根据对失效减阻结构进行的宏观、断口和衍射分析结果，减阻结构耳座处存在的原始缺陷是造成减阻结构耳座发生断裂的原因。

4 结　语

本文采用多尺度方法对某航行体的减阻结构断裂失效现象进行研究，主要由宏观力学特性及微观断裂分析2个角度，得到以下结论：

1）本文搭建了基于Fluent+LS-DYNA的流固耦合仿真平台，计算结构在瞬态冲击作用下的力学响应，该方法能够精确捕获流场载荷特性，获取结构应力分布规律，并通过Dytran软件对该方法进行校验。

2）基于微观缺陷检测技术得出减阻结构耳座的失效模式为一次性过载断裂，原因是该减阻结构耳座处存在原始裂纹缺陷。该缺陷是在冶炼中带入了微量氧化皮，在热处理的过程中此缺陷会有小量扩展。重复使用后在大冲击作用下裂纹快速扩展，形成一次性过载断裂。

3）本文从宏观力学性能与微观断裂特征2个方面提出了对结构断裂失效多尺度分析方法，为结构断裂失效研究与疲劳安全评估提供了一种新思路。