玻璃鋼定向器老化性能及蠕變行為研究

蘇騰騰，于存貴，宋 濤

(南京理工大學機械工程學院，南京 210094)

為了適應現代戰爭突發性、速決性、機動性和靈活性等要求，必須將武器輕量化作為一個重要研究方向，采用非金屬復合材料是實現輕量化的重要途徑之一，玻璃鋼逐步取代傳統金屬成為定向器用材料的首要選擇［1-2］。在長期的貯存中，玻璃鋼的老化性能對定向器可靠性和壽命有很大的影響。

為了保證玻璃鋼定向器貯存的安全可靠性，本文深入研究定向器用玻璃鋼材料的老化性能及蠕變行為，并提出相應的蠕變估算方案，為非金屬定向器的貯存可靠性及壽命預測研究提供一種思路。

1 玻璃鋼定向管老化性能研究現狀

1.1 玻璃鋼定向器倉庫貯存環境

定向器是火箭炮儲運發射箱的重要組成部分，對火箭彈的貯存可靠性、安全性有重要的保障作用［3］，貯存環境對玻璃鋼定向器的壽命有很大影響，采取一些措施保障庫房環境標準，如控制溫濕度在一個合理的范圍內是保證定向器貯存壽命指標的重要手段。

彈藥的貯存庫房環境條件相對其他軍用物資更為嚴格，定向器的貯存環境標準應從延長彈藥的保管年限，保持彈藥的良好狀態出發，根據軍用物資貯存環境要求，彈藥貯存的溫度應該控制在5 ～20℃范圍內，相對濕度應控制在55% ～65%范圍內［4］。

1.2 研究方法

諸多外界因素的聯合作用使復合材料產生老化，裂紋由表層慢慢深入內部，進而破壞復合材料的基體、增強體與界面之間的關系，從而引發材料性能的變化。玻璃鋼老化一方面受到環境等外界因素的影響，也與所選用的纖維、樹脂種類和成型工藝等有關［5］。目前廣泛使用的老化研究方法主要分為自然老化和加速試驗老化。

自然老化是將典型的制品或使用條件作為對象進行系統的研究，典型的使用條件有大氣曝曬、庫存、加熱、水浸泡和化學侵蝕。加速試驗主要以人工氣候試驗、濕熱試驗和煮沸等為手段。

1.3 研究現狀

隨著火箭武器輕量化發展，玻璃鋼被廣泛應用于軍工產品，定向器用玻璃鋼采用環氧樹脂和輔料為基體材料，以玻璃纖維及其織物為增強材料復合而成，制造時一般采用玻纖纏繞工藝。

根據《玻璃鋼的耐候性》中關于定向器用玻璃鋼材料的老化試驗數據，環氧樹脂玻璃鋼在室內存放八年的彎曲強度保留率大于80%，大氣曝曬三年后的彎曲強度保留率大于95%，玻璃鋼作為定向器用材料，其耐老化性能滿足長期貯存的要求。

對某玻璃鋼彈藥包裝筒進行露天惡劣條件的實彈包裝貯存試驗，考察其長期貯存的可靠性，試驗表明，貯存15 a 后彈藥各項指標均滿足發射爆炸需要，所以玻璃鋼定向器能夠作為火箭彈包裝筒進行長期貯存，并具有很好的可靠性［6］。

2 玻璃鋼定向器的蠕變行為

2.1 蠕變機理

為了預測玻璃鋼定向器長期貯存后的使用可靠性，要研究長期恒定應力條件下，玻璃鋼定向器的蠕變變形。從材料角度來看，玻璃鋼的蠕變性能除了與溫度有關，還與其組成材料、組成比、成型工藝等因素有關。大量研究表明玻璃纖維的蠕變變形很小，Pearson 用玻璃棒進行1 000 h 的蠕變試驗，蠕變量是彈性應變的0.2%［7］，玻璃鋼的蠕變性能主要與樹脂相關，在長期靜載作用下，樹脂分子沿力場方向重新組合排列，原本卷曲的分子伸直直到拉斷，宏觀表現為材料發生蠕變變形。

對玻璃鋼定向器進行蠕變變形預測，結合定向器在直線度、圓度方面的形位誤差要求，可判斷玻璃鋼定向器貯存壽命周期內任意時間段的使用性能和可靠性。

圖1 為復合材料的蠕變曲線，與金屬材料類似，蠕變大致可劃分為早期蠕變階段、穩態蠕變階段和加速蠕變階段。早期蠕變階段蠕變速率隨時間增長不斷下降，穩態階段蠕變速率最小且基本保持不變，持續時間最長，加速階段速率突然加快，最終導致斷裂。

圖1 復合材料蠕變曲線

2.2 蠕變模型

蠕變模型大概可分為經驗形式、元件組合形式、積分形式3 種。經驗形式模型是用數理統計方法對試驗數據進行分析擬合驗證而得到，但是一般只能描述蠕變前兩個階段，不能表示加速蠕變階段。最能反映材料蠕變性能的是元件組合形式，它是由理想彈性元件和粘性元件組合而成，例如比較著名的三元素模型、Maxwell 模型、Kelvin 模型等。積分形式用于外力不是常數時，材料應力、應變和時間之間的關系。

2.2.1 Schapery 蠕變理論［8］

由于多數聚合物僅在較低應力和較低溫度下呈現線性黏彈行為，Schapery 蠕變理論克服Boltzman 模型局限，從不可逆過程熱力學熵增加原理和自由能概念出發，建立等溫單向應力條件下非線性黏彈性本構方程［9］

設材料蠕變服從冪律:

由式(1)、式(2)可以得出:

g1、g2是與應力有關的材料參數;ΔA(ψ)為蠕變柔度的函數;ψ、ψ'是折算時間;為了便于分析，取σ 為常數;C、n 為材料常數;K'σ是與應力相關的材料參數。

2.2.2 Rabotnov 蠕變理論［10］

在早期蠕變階段，變形主要是剪切屈服，基體中的纖維誘發細小的裂紋，形成損傷，到蠕變中后期裂紋對蠕變變形起主導作用［11］，本研究基于Kachanov-Rabotnov 理論，建立定向器用玻璃鋼材料的蠕變模型。Rabotnov 蠕變理論公式如下:

式(4)中:D 為損傷變量;D =0 時材料無損;D =1 時材料破壞;A≥0，n≥1 為材料常數。

當初始條件t=0，D =0;斷裂時t =tf，D =1，對式(5)進行積分得:

將初始條件t=0，εc=0，將式(6)代入式(4)積分得:

式(7)中前一項代表剪切屈服對蠕變變形的貢獻，后一項表示裂紋擴張引起的損傷對蠕變的貢獻。

蠕變的初始階段，剪切屈服占主要作用，可得蠕變變形為

蠕變的穩態階段，損傷量很小，可認為D=0，代入式(4)積分可得

蠕變斷裂時t=tf，εc=εf，代入式(7)得:

3 蠕變估算試驗

3.1 試驗方案及結果

取玻璃鋼定向器最薄處厚度作為工字型試樣的厚度，采用E 玻纖作為增強材料，雙酚A 型環氧樹脂作為基體的玻璃鋼試樣，在牽引機的作用，進行1 000 h 的拉伸蠕變試驗，試驗溫度為常溫。

為了消除試樣加工中的殘余應力，保證試驗過程中工作區域的有效變形和破壞，在試驗前對試樣進行加載，載荷為蠕變應力的90%，再進行卸載，重復10 次，保證試驗數據的可靠性。試驗過程中試樣斷裂時，試驗即終止。分別對3 種不同應力水平下的試樣進行測量，試驗數據如表1。

表1 玻璃鋼蠕變變形量

3.2 試驗結果評判

將所得的試驗數據在計算機中進行線性擬合，得到圖2所示的曲線。在計算機中將Schapery 蠕變理論模型和Rabotnov 蠕變理論模型中的未知參數進行回代驗證，得到兩種模型中玻璃鋼材料的相關參數，由數學模型函數關系可知兩種模型對于玻璃鋼材料蠕變的初始階段和穩態階段的描述很好，但是Rabotnov 蠕變理論模型對于中后階段的蠕變描述則更為合適，Schapery 蠕變理論模型則中后期趨于平緩，不能描述加速階段蠕變速率突然增大直至材料失效，如圖3所示。

圖2 蠕變變形試驗擬合曲線

圖3 Schapery、Rabotnov 模型蠕變變形對比

4 結論

目前，復合材料蠕變試驗研究明顯領先與理論研究，而且樹脂基復合材料蠕變性能研究還沒有形成系統。一方面由于復合材料的種類繁多，另一方面由于影響因素較多，對于常見的工程用樹脂基復合材料的蠕變性能也沒有定量的研究結論。

本文從復合材料本構關系研究，希望為深入研究復合材料蠕變模型、控制設計材料的蠕變提供理論基礎。希望可以結合有限元仿真軟件，通過二次開發等方式，將玻璃鋼定向器的蠕變本構模型寫入程序，通過仿真，預測玻璃鋼定向器在一定貯存壽命周期內的蠕變變形。

［1］李培珍，李志剛.復合材料定向管力學特性仿真［J］.兵工學報，2012(11):1404-1408.

［2］張中利，黨玉功，樂貴高，等.玻璃鋼定向器熱彈性能數值仿真與分析［J］.系統仿真學報，2010(4):77-880.

［3］王軻，張福祥.玻璃鋼制火箭炮定向器的強度研究［J］.彈道學報，2003(2):39-43.

［4］GJB 2770—1996，軍用物資貯存環境條件［S］.

［5］Jun Koyanagi，Genyakiyota，Takashi Kaniya and Hiroyuki Kawada.Prediction of creep rupture in unidirectional composite Creep rupture model with interfacial debonding and its propagation［J］.Composite Mater，2004(13):199-213.

［6］趙錫鑫，王海明，朱志敏.某新型非金屬定向管老化性能測試及壽命估算方案研究［J］. 火炮發射與控制學報，2013(2):55-58.

［7］周祝林，楊云娣. 纖維增強塑料蠕變機理的初步探討［J］.玻璃鋼/復合材料，1985(8):29-33.

［8］Schapery R A.Workshop on a continuum approach to damage and life prediction ［J］. National Science Federation，1980:119-133.

［9］Papanicolaou G C，Xepapadaki A G，Pavlopoulou S，et al.On the investigation of the stress threshold from linear to nonlinear viscoelastic behaviour of polymer-matrix particulate composites［J］.Mech Time-Depend Mater，2009(13):261-274.

［10］Rabotnov Yu M. Creep problems in structural members.Amsterdam:North-Holland，1969.

［11］樊建平，彭立華，沈為.正交玻璃布/環氧復合材料蠕變損傷試驗研究［J］.復合材料學報，1995，12(4):84-88.