復(fù)合材料多瓣易碎蓋薄弱區(qū)結(jié)構(gòu)失效性能研究

李文龍，周光明，劉暢，蔡登安，陸方舟

(南京航空航天大學(xué) 機械結(jié)構(gòu)力學(xué)及控制國家重點實驗室，南京 210016)

【機械制造與檢測技術(shù)】

復(fù)合材料多瓣易碎蓋薄弱區(qū)結(jié)構(gòu)失效性能研究

李文龍，周光明，劉暢，蔡登安，陸方舟

(南京航空航天大學(xué) 機械結(jié)構(gòu)力學(xué)及控制國家重點實驗室，南京 210016)

針對復(fù)合材料多瓣易碎蓋薄弱區(qū)結(jié)構(gòu)進行失效性能分析，提出了一種設(shè)計方法。基于Mises準(zhǔn)則，計算了薄弱區(qū)結(jié)構(gòu)在不同載荷工況下的失效載荷，同時繪制了強度包絡(luò)線，并進一步分析了薄弱區(qū)的結(jié)構(gòu)參數(shù)對其承載能力的影響。結(jié)果表明：在其他參數(shù)不變的情況下，分別增加薄弱區(qū)的搭接厚度和搭接長度，其承載能力均有不同程度的增大。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種復(fù)合材料多瓣易碎蓋，并進行沖破實驗，實際結(jié)果與設(shè)計沖破壓力吻合較好，驗證了設(shè)計方法的可行性。

復(fù)合材料；多瓣易碎蓋；薄弱區(qū)結(jié)構(gòu)；失效性能；結(jié)構(gòu)參數(shù)

導(dǎo)彈發(fā)射箱蓋是導(dǎo)彈貯存和發(fā)射系統(tǒng)的重要組成部分，主要技術(shù)要求是承受一定的箱內(nèi)壓力，密封性能好，導(dǎo)彈發(fā)射時能迅速打開。

傳統(tǒng)的導(dǎo)彈發(fā)射箱蓋常采用機械蓋，爆破蓋等[1-4]，但這些箱蓋均存在不同程度的缺點，如質(zhì)量大、反應(yīng)慢、裝彈和維修復(fù)雜。目前，復(fù)合材料以其輕質(zhì)高強、耐腐蝕、可設(shè)計性強等優(yōu)點[5]已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，國外發(fā)達(dá)國家也已經(jīng)研制出了一些以復(fù)合材料為主體的導(dǎo)彈易碎蓋。

為了滿足易碎蓋的承壓和沖破性能要求，需要在易碎蓋上預(yù)置具有一定強度的薄弱區(qū)。美國“捕鯨叉”導(dǎo)彈發(fā)射裝置[6]的易碎蓋利用玻璃纖維在經(jīng)緯向易撕裂的特點，制作易碎蓋時，沿每一層單向布縱向或橫向預(yù)置刻痕，導(dǎo)彈發(fā)射時，在彈頭的撞擊作用下，易碎蓋沿預(yù)設(shè)的薄弱區(qū)位置破壞。俄羅斯SA-N-6導(dǎo)彈垂直發(fā)射裝置[7]預(yù)先在易碎蓋上設(shè)置溝槽，導(dǎo)彈發(fā)射時，尾氣流沖擊易碎蓋，溝槽處強度較低，先于其他部分破壞，易碎蓋被吹成碎塊，使導(dǎo)彈順利通過。國內(nèi)，周光明等[8,9]研制了整體沖破式復(fù)合材料易碎蓋，并對此類易碎蓋進行了參數(shù)化設(shè)計。針對整體沖破式易碎蓋拋出體質(zhì)量較大的問題，本研究設(shè)計了一種復(fù)合材料多瓣易碎蓋，薄弱區(qū)結(jié)構(gòu)采用雙面搭接膠接形式，對薄弱區(qū)結(jié)構(gòu)在不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下的失效性能進行了分析計算，得到薄弱區(qū)結(jié)構(gòu)的強度包絡(luò)線；基于薄弱區(qū)失效性能，提出了一種復(fù)合材料多瓣易碎蓋的設(shè)計方法，并通過實驗驗證了該方法的可行性。本文的研究可為復(fù)合材料多瓣易碎蓋的設(shè)計與研制提供一定的參考。

1 薄弱區(qū)結(jié)構(gòu)

多瓣易碎蓋設(shè)計成圓球形，整體結(jié)構(gòu)分為4個部分，分別是框架、球面薄弱區(qū)、柱面薄弱區(qū)和6塊完全相同的分離體子蓋。易碎蓋結(jié)構(gòu)形式如圖1(a)所示。

球面薄弱區(qū)和柱面薄弱區(qū)結(jié)構(gòu)均采用雙面搭接膠接形式，其細(xì)觀結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示。影響薄弱區(qū)強度的主要參數(shù)有加貼層的搭接長度L和搭接厚度t，薄弱區(qū)結(jié)構(gòu)長度L0=16 mm，主體厚度h=1.8 mm，寬度b=4 mm，膠層厚度0.1 mm。

圖1 多瓣易碎蓋結(jié)構(gòu)示意圖

薄弱區(qū)結(jié)構(gòu)主體為采用準(zhǔn)各向同性鋪層的復(fù)合材料層合板，使用的是0.2 mm的雙向纖維布；加貼層材料使用0.1 mm 的雙向纖維布；基體采用環(huán)氧樹脂體系；膠接劑使用AB膠。薄弱區(qū)結(jié)構(gòu)主體和加貼層的性能參數(shù)見表1，膠接劑性能參數(shù)如表2。

表1 復(fù)合材料性能參數(shù)

表2 膠接劑性能參數(shù)

2 有限元分析

不考慮具體的易碎蓋連接形式，球面薄弱區(qū)位于受均布壓力的球面上，根據(jù)材料力學(xué)知識，此時球面薄弱區(qū)處于二向應(yīng)力狀態(tài)，并且兩個方向應(yīng)力大小相等。而柱面薄弱區(qū)的受力根據(jù)文獻[10]中的應(yīng)變數(shù)據(jù)可知：球面薄弱區(qū)主要受豎直方向載荷和向蓋體外側(cè)的彎矩作用，即，受力形式是拉彎耦合作用。這兩種薄弱區(qū)受力形式如圖2所示，根據(jù)對稱性，球面薄弱區(qū)取1/4模型。

圖2 薄弱區(qū)受力形式

膠層發(fā)生破壞到結(jié)構(gòu)完全分離過程時間很短。整個過程中，作用在箱蓋的壓力基本不變，因此，采用較保守的靜態(tài)加載的方式計算膠層初始破壞載荷。球面薄弱區(qū)模型采用對稱邊界條件，在模型的右端面和上端面施加數(shù)值相等的均布壓力載荷；而柱面薄弱區(qū)模型下端面施加固支邊界進行約束，在上端面施加拉彎載荷。由于模型長寬比較大，彎曲載荷以端部的剪力代替。

薄弱區(qū)的強度直接關(guān)系到易碎蓋的沖破性能，但球面薄弱區(qū)和柱面薄弱區(qū)結(jié)構(gòu)受力形式不同，為保證導(dǎo)彈的順利發(fā)射，應(yīng)采用變強度設(shè)計，使兩種薄弱區(qū)結(jié)構(gòu)在沖破壓力下同時破壞。同一種易碎蓋隨著壓力的升高，兩種薄弱區(qū)的受力也隨之變化；不同跨度的易碎蓋即使在同一壓力下，兩種薄弱區(qū)的受力也有所不同。因此，為了擬合強度包絡(luò)線，本研究針對12種搭接參數(shù)在不同比例載荷作用下進行計算，薄弱區(qū)搭接參數(shù)如表3所示。

表3 不同參數(shù)的薄弱區(qū)結(jié)構(gòu)

2.1 材料失效準(zhǔn)則

由于薄弱區(qū)結(jié)構(gòu)中膠層與復(fù)合材料強度相差較大，結(jié)構(gòu)破壞時，膠層必然先于復(fù)合材料發(fā)生破壞。薄弱區(qū)結(jié)構(gòu)中所使用的AB膠為各向同性材料，因此本文只針對膠層采用Mises準(zhǔn)則[11]進行失效判斷，即

σr=

式中：σ1、σ2和σ3為3個主應(yīng)力；σr是相當(dāng)應(yīng)力；σb為材料屈服強度。

2.2 球面薄弱區(qū)有限元分析

球面薄弱區(qū)結(jié)構(gòu)利用ABAQUS中的C3D8I單元離散，針對參數(shù)L=2 mm,t=0.1 mm進行數(shù)值模擬，圖3中給出了該參數(shù)在數(shù)值相等的雙向拉伸載荷作用下膠層的應(yīng)力云圖。

由圖3可知，排除載荷加載端造成的應(yīng)力集中，在雙向拉伸載荷作用下，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力集中在膠層的中間區(qū)域。

圖3 雙向拉伸載荷下膠層的應(yīng)力云圖

將使膠層達(dá)到其強度的雙向拉伸載荷作為破壞載荷，針對表3中12種參數(shù)在雙向拉伸載荷作用下的失效性能進行分析研究，結(jié)果如圖4所示。

當(dāng)搭接長度L在2～8 mm范圍內(nèi)，球面薄弱區(qū)的承載能力隨搭接厚度的增大而增大；在相同搭接長度的前提下，t處于0.1～0.2 mm階段承載能力的增大幅度大于0.2～0.4 mm 階段。

當(dāng)搭接厚度t在0.1～0.4 mm，球面薄弱區(qū)的承載能力隨搭接長度的增大近似呈線性增大。

圖4 球面薄弱區(qū)強度包絡(luò)線

2.3 柱面薄弱區(qū)有限元分析

柱面薄弱區(qū)結(jié)構(gòu)采用C3D8I單元離散，針對參數(shù)L=2 mm,t=0.1 mm進行數(shù)值模擬，圖5給出了該參數(shù)在不同比例拉彎載荷作用下膠層的應(yīng)力云圖。

由圖5可知，在拉伸載荷占較大比值下，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力集中在膠層的中間區(qū)域；在彎曲載荷占較大比例下，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力集中在膠層靠近加貼布的區(qū)域。

針對表3中12種參數(shù)在不同比例的拉彎載荷作用下的失效性能進行分析研究，將使膠層達(dá)到其強度的拉彎載荷作為破壞載荷，結(jié)果如圖6所示。

當(dāng)搭接長度L在2～8 mm，柱面薄弱區(qū)的承載能力隨搭接厚度的增大而增大；在相同搭接長度的前提下，t處于0.1～0.2 mm階段的承載能力的增大幅度大于 0.2～0.4 mm 階段。

圖5 不同比值拉彎載荷下膠層的應(yīng)力云圖

圖6 柱面薄弱區(qū)強度包絡(luò)線

當(dāng)搭接厚度t在0.1～0.4 mm，球面薄弱區(qū)的承載能力隨搭接長度的增大而增大；在相同搭接厚度的前提下，L處于2～4 mm階段的承載能力的增大幅度大于4～8 mm階段。

3 實驗驗證

3.1 實驗方法

在易碎蓋設(shè)計過程中，可根據(jù)受載不同的薄弱區(qū)，從圖4和圖6中選擇合適的薄弱區(qū)參數(shù)，這種設(shè)計方法可有效降低實驗成本，縮短研發(fā)周期。根據(jù)要求設(shè)計一種沖破壓力為0.10MPa的六瓣易碎蓋，對整體易碎蓋在設(shè)計沖破壓力下進行有限元分析，提取該整體模型薄弱區(qū)處的載荷，將該載荷作為薄弱區(qū)的破壞載荷，依據(jù)圖4和圖6選取合適的薄弱區(qū)參數(shù)見表4。

采用與計算模型相同的鋪層與材料，制作相應(yīng)薄弱區(qū)參數(shù)的六瓣易碎蓋3個，沖破實驗采用螺栓連接，利用氣泵加載，實驗裝置如圖7所示。氣泵以0.01 MPa/min向?qū)嶒炑b置內(nèi)充入空氣，直至箱蓋破壞，通過電子氣壓表讀取沖破壓力。

表4 薄弱區(qū)參數(shù)選擇

注：柱面薄弱區(qū)載荷為拉伸載荷:彎曲載荷

圖7 多瓣易碎蓋沖破實驗

3.2 實驗結(jié)果

對3個易碎蓋進行沖破實驗，易碎蓋沿薄弱區(qū)破壞，分離體子蓋四散飛出，實驗結(jié)果見表5。從實驗結(jié)果可以看出，根據(jù)圖4和圖6的薄弱區(qū)強度包絡(luò)線設(shè)計的多瓣易碎蓋的沖破壓力具有較高的穩(wěn)定性，但實際沖破壓力偏低。原因主要有：一是易碎蓋在制作過程中，存在一些縫隙或孔洞等不可控因素，降低了易碎蓋的強度；二是實際的沖破工況，薄弱區(qū)的受力情況比有限元模型更復(fù)雜。真實受載時，球面薄弱區(qū)存在徑向應(yīng)力，而柱面薄弱區(qū)存在切向應(yīng)力，使易碎蓋的強度低于設(shè)計強度。

表5 實驗結(jié)果

4 結(jié)論

1) 對12種結(jié)構(gòu)參數(shù)的球面薄弱區(qū)結(jié)構(gòu)在雙向拉伸載荷工況下進行了有限元模擬。結(jié)果顯示，膠層的中間區(qū)域首先發(fā)生破壞。擬合了球面薄弱區(qū)的強度包絡(luò)線，可看出，其承載能力隨搭接厚度的增大而增大，但增幅減小；隨搭接長度的增大近似呈線性增大。

2) 對12種結(jié)構(gòu)參數(shù)的柱面薄弱區(qū)結(jié)構(gòu)在不同比值拉彎載荷工況下進行了有限元模擬。結(jié)果顯示，在拉伸載荷占較大比值下，膠層的中間區(qū)域首先發(fā)生破壞；在彎曲載荷占較大比值下，膠層靠近加貼布的區(qū)域首先發(fā)生破壞。擬合了柱面薄弱區(qū)的強度包絡(luò)線，可看出，其承載能力隨搭接厚度和搭接長度的增大而增大，但增幅都減小。

3) 建立了薄弱區(qū)強度與結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系，提出了一種基于薄弱區(qū)失效性能的復(fù)合材料多瓣易碎蓋設(shè)計方法，并對該方法設(shè)計的易碎蓋進行了沖破實驗。實驗結(jié)果與設(shè)計沖破壓力平均誤差為11.7%，驗證了設(shè)計方法的可行性。

[1] 姚昌仁,張波.火箭導(dǎo)彈發(fā)射裝置設(shè)計[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,1998.

[2] COPELAND R L,GREENE R F.Protective cover or a missile nose cone[P].US：3970006,1976-6-12.

[3] BOEGLIN P H.Plate-glass fitted with an explosion-cutting device[P].US:4333381,1982-5-23.

[4] BELL R E.Missile weapon system[P].US:5239909,1992-3-13.

[5] 魯云.先進復(fù)合材料[M].北京:機械工業(yè)出版社,2004.

[6] 張玲翔.國外小間隙發(fā)射箱技術(shù)的發(fā)展[J].飛航導(dǎo)彈,1998(1):23-28.

[7] 常衛(wèi)偉.艦載導(dǎo)彈垂直發(fā)射系統(tǒng)巡禮[J].艦載武器,2004(1):63-68.

[8] 周光明,袁卓偉.整體沖破式復(fù)合材料薄膜蓋的設(shè)計與實驗研究[J].宇航學(xué)報,2007,28(3):707-712.

[9] 曹然,周光明,錢元,等.復(fù)合材料易碎蓋薄弱區(qū)結(jié)構(gòu)的參數(shù)化設(shè)計[J].固體火箭技術(shù),2015,38(4):549-553.

[10]錢元.沖破式復(fù)合材料發(fā)射箱蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計和試驗研究[D].南京:南京航空航天大學(xué),2013.

[11]徐秉業(yè),劉信聲.應(yīng)用彈塑性力學(xué)[M].北京:清華大學(xué)出版社,1995.

(責(zé)任編輯唐定國)

Research on Failure Behavior of the Weak Zone Structure of a Composite Multi-Part Fragile Cover

LI Wen-long, ZHOU Guang-ming, LIU Chang, CAI Deng-an, LU Fang-zhou

(State Key Laboratory of Mechanics and Control of Mechanical Structures, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China)

According to the analysis of failure behavior of the weak zone structure, a design method was proposed. Based on the Mises criterion, the failure loads of the structures under different load conditions were calculated and the strength envelopes were plotted. Then, the influence of structural parameters on the strength of the weak zone was analyzed. The results show that the higher overlap thickness and length can both improve the strength of weak zone more or less while other parameters keep no change. On this basis, a kind of composite multi-part fragile cover was designed and the failure experiment was carried out. By being compared with designed failure pressure, the feasibility of design method was verified.

composite material; multi-part fragile cover; weak zone structure; failure behavior; structural parameter

2016-07-21；

江蘇省高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程項目資助(PAPD)；獲得南京航空航天大學(xué)研究生創(chuàng)新基地(實驗室)開放基金資助(kfjj20160111)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金資助

李文龍(1991—)，男，碩士研究生，主要從事復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計研究。

周光明(1966—)，男，教授，主要從事復(fù)合材料設(shè)計、制備一體化研究,E-mail:zhougm@nuaa.edu.cn。

10.11809/scbgxb2016.12.031

李文龍，周光明，劉暢，等.復(fù)合材料多瓣易碎蓋薄弱區(qū)結(jié)構(gòu)失效性能研究[J].兵器裝備工程學(xué)報，2016(12):135-139.

format:LI Wen-long, ZHOU Guang-ming, LIU Chang, et al.Research on Failure Behavior of the Weak Zone Structure of a Composite Multi-Part Fragile Cover[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(12):135-139.

TB332

A

2096-2304(2016)12-0135-05

修回日期：2016-08-20