T800HB碳纖維復(fù)合材料殼體定量化等強(qiáng)度補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)

張世杰 王汝敏 廖英強(qiáng) 周偉江 程 勇

(1 西北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院應(yīng)用化學(xué)系，西安 710072)

(2 西安航天復(fù)合材料研究所，西安 710025)

(3 高性能碳纖維制造及應(yīng)用國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心，西安 710089)

0 引言

碳纖維復(fù)合材料以其比強(qiáng)度比模量高、性能可設(shè)計(jì)和易于成型等優(yōu)勢(shì)，已在國(guó)防軍工等高新技術(shù)領(lǐng)域取得廣泛應(yīng)用，對(duì)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件的性能提升和減輕質(zhì)量方面起到積極作用［1］。其中采用碳纖維制造的復(fù)合材料發(fā)動(dòng)機(jī)殼體具有較好的剛度，在減少燃燒室的變形的同時(shí)還增強(qiáng)了復(fù)合材料與絕熱層之間的粘接強(qiáng)度，尤其是以日本的T800碳纖維、美國(guó)IM7碳纖維以及T－40碳纖維為代表的高強(qiáng)中模碳纖維問(wèn)世以后，迅速成為復(fù)合材料發(fā)動(dòng)機(jī)殼體向輕質(zhì)化、高性能和高可靠性發(fā)展的重要物資保障，美國(guó)、法國(guó)、日本的多數(shù)戰(zhàn)略、戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈及運(yùn)載火箭的發(fā)動(dòng)機(jī)殼體都選用了高強(qiáng)中模碳纖維［2－3］。

網(wǎng)格理論對(duì)復(fù)合材料殼體而言，一直是一種行之有效的設(shè)計(jì)理論。該理論雖然不能很好地預(yù)測(cè)殼體破壞過(guò)程及各部位在加壓過(guò)程中的受力狀態(tài)，但可以較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)出殼體的爆破壓力［4－7］。然而工程應(yīng)用實(shí)踐表明，碳纖維復(fù)合材料殼體易在封頭部位產(chǎn)生低壓爆破，高強(qiáng)中模碳纖維殼體尤甚。這是因?yàn)樘祭w維作為一種脆性材料，加之其界面性能優(yōu)良，因此在殼體受到內(nèi)壓作用時(shí)，封頭部位處于拉、彎、剪共同作用下的復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，容易在封頭發(fā)生低壓破壞。此外，殼體前后金屬連接件與碳纖維復(fù)合材料剛度差異較大，導(dǎo)致金屬外邊緣靠近赤道部位，在內(nèi)壓作用下產(chǎn)生局部應(yīng)力集中導(dǎo)致殼體低壓爆破［8－10］。因此，對(duì)碳纖維復(fù)合材料殼體進(jìn)行封頭補(bǔ)強(qiáng)是保證其性能最優(yōu)發(fā)揮的有效措施。

碳纖維復(fù)合材料殼體封頭補(bǔ)強(qiáng)一般有織物鋪放、纖維纏繞以及封頭帽補(bǔ)強(qiáng)等方案［11－16］，這些方案均取得了良好效果。但是對(duì)殼體補(bǔ)強(qiáng)的具體部位、補(bǔ)強(qiáng)范圍、補(bǔ)強(qiáng)厚度及方向還缺乏可量化的精細(xì)研究。等強(qiáng)度增強(qiáng)技術(shù)是一種先進(jìn)的補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)，它可以定量化確定補(bǔ)強(qiáng)區(qū)域的范圍、補(bǔ)強(qiáng)厚度等補(bǔ)強(qiáng)參數(shù)，從而可實(shí)現(xiàn)補(bǔ)強(qiáng)方案從定性向定量的實(shí)質(zhì)性轉(zhuǎn)變，對(duì)提高碳纖維復(fù)合材料殼體的研究應(yīng)用水平具有重要意義。對(duì)此本文開(kāi)展T800HB碳纖維復(fù)合材料殼體定量化等強(qiáng)度補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)研究。

1 殼體等強(qiáng)度增強(qiáng)設(shè)計(jì)

1.1 等強(qiáng)度增強(qiáng)的概念、原理

目前，采用傳統(tǒng)網(wǎng)格理論設(shè)計(jì)制造的復(fù)合材料殼體在筒段其縱向纏繞層和環(huán)向纏繞層具有不同的承壓能力，即整個(gè)殼體是不等強(qiáng)度的，整個(gè)殼體特別是筒段存在過(guò)多的冗余質(zhì)量，導(dǎo)致殼體效率較低。等強(qiáng)度增強(qiáng)殼體要求在內(nèi)壓載荷作用下復(fù)合材料殼體筒身中部的縱向纏繞層應(yīng)變和環(huán)向纏繞層應(yīng)變相當(dāng)，這樣在水壓載荷作用下可以實(shí)現(xiàn)縱向和環(huán)向纏繞層同時(shí)破壞。等強(qiáng)度增強(qiáng)殼體除封頭外在筒身的各個(gè)位置具有相同的承壓能力，在筒段不存在冗余質(zhì)量，可以大大提高殼體的效率。

1.2 理論分析及試驗(yàn)驗(yàn)證

1.2.1 理論分析

在殼體等強(qiáng)度增強(qiáng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)筒身中部一定范圍內(nèi)的縱向纏繞層厚度按應(yīng)力平衡系數(shù)為1進(jìn)行設(shè)計(jì)，其余位置的縱向纏繞層厚度則按較低的應(yīng)力平衡系數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。以等強(qiáng)度增強(qiáng)的基本原理為依據(jù)，選取不同的應(yīng)力平衡系數(shù)對(duì)殼體的縱向纏繞層和環(huán)向纏繞層厚度進(jìn)行設(shè)計(jì)，并以該設(shè)計(jì)結(jié)果為基礎(chǔ)建立有限元模型進(jìn)行靜力學(xué)受載分析，提取有限元分析結(jié)果中復(fù)合材料殼體筒段縱環(huán)向纖維的應(yīng)變進(jìn)行對(duì)比分析，獲得殼體筒段近似等強(qiáng)度破壞的最佳應(yīng)力平衡系數(shù)，最終通過(guò)水壓試驗(yàn)驗(yàn)證等強(qiáng)度增強(qiáng)技術(shù)的有效性。

以Φ150 mm殼體為研究對(duì)象，在距離赤道位置大于20 mm的筒身中部范圍內(nèi)取應(yīng)力平衡系數(shù)為1設(shè)計(jì)殼體壁厚，而從極孔至過(guò)赤道20 mm區(qū)域的厚度分布取應(yīng)力平衡系數(shù)為 1、0.7、0.65進(jìn)行設(shè)計(jì)，以達(dá)到局部增強(qiáng)的目的。以ANSYS軟件為平臺(tái)，以shell91殼單元和solid92實(shí)體單元為單元類型，建立殼體有限元模型，施加內(nèi)壓載荷并進(jìn)行分析，分析結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同應(yīng)力平衡系數(shù)下殼體纏繞層應(yīng)變Tab.1 Strain of winding layer of case with different stress equilibrium factor

從表1看出，當(dāng)筒身中部應(yīng)力平衡系數(shù)取1時(shí)，赤道位置附近的縱向纖維應(yīng)變大大高于其余位置，在內(nèi)壓載荷作用下赤道位置破壞，并且殼體出現(xiàn)低壓爆破;當(dāng)應(yīng)力平衡系數(shù)取0.7時(shí)，赤道位置附近的縱向纖維應(yīng)變?nèi)耘f高于其余位置，且考慮到縱向纖維纏繞過(guò)程中更易產(chǎn)生損傷等因素，則此工藝參數(shù)下仍舊會(huì)出現(xiàn)赤道位置破壞，且表現(xiàn)為低壓爆破;當(dāng)應(yīng)力平衡系數(shù)取0.65時(shí)，赤道位置附近的縱向纖維應(yīng)變已經(jīng)低于筒身中部位置環(huán)向應(yīng)變，考慮到縱向纖維的強(qiáng)度損傷較大以及破壞位置盡量在筒身中部位置，因此該工藝參數(shù)下設(shè)計(jì)的殼體筒身中部位置和靠近赤道位置的爆破壓力比較接近，即殼體為近似等強(qiáng)度結(jié)構(gòu)。1.2.2 工藝試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證前述等強(qiáng)度工藝設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，采用日本東麗公司生產(chǎn)的高強(qiáng)中模T800HB－12k碳纖維為增強(qiáng)纖維，基體為環(huán)氧樹(shù)脂，制備Φ150 mm殼體，并進(jìn)行水壓爆破試驗(yàn)。根據(jù)水壓試驗(yàn)結(jié)果對(duì)Φ150 mm殼體開(kāi)展了赤道位置局部增強(qiáng)研究，共進(jìn)行了三次典型的水壓試驗(yàn)，設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 Φ150 mm殼體纏繞設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.2 Processing parameters of winding design forΦ150 mm case

T800HB－12k碳纖維的復(fù)絲強(qiáng)度標(biāo)稱值為5.49 GPa，復(fù)絲實(shí)測(cè)強(qiáng)度為 5.20～5.60 GPa，本次試驗(yàn)選用的纖維復(fù)絲實(shí)測(cè)強(qiáng)度為5.20 GPa。

按照以上殼體纏繞設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)計(jì)制備了Φ150 mm殼體，并進(jìn)行水壓爆破試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，破壞殘骸見(jiàn)圖1～圖3。

表3 不同應(yīng)力平衡系數(shù)Φ150 mm殼體水壓試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Hydrostatic test for Φ150 mm case with different stress equilibrium factor

從表3的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)增強(qiáng)區(qū)應(yīng)力平衡系數(shù)分別取 1、0.7、0.65時(shí)，殼體的爆破壓力逐步增加，在應(yīng)力平衡系數(shù)取0.65時(shí)，殼體不再出現(xiàn)低壓爆破現(xiàn)象，壓力完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求，由此說(shuō)明此時(shí)殼體薄弱區(qū)域的強(qiáng)度得到滿足，殼體筒身區(qū)域?yàn)榻频葟?qiáng)度結(jié)構(gòu)，應(yīng)力平衡系數(shù)為0.65時(shí)縱向纏繞層的厚度即為等強(qiáng)度殼體的縱向設(shè)計(jì)厚度。從爆破殘骸的形貌來(lái)看，第一、二批殼體爆破形貌均不理想，發(fā)生了封頭破壞現(xiàn)象，而第三批殼體爆破位置發(fā)生在筒段位置，縱、環(huán)向纖維強(qiáng)度得到了充分發(fā)揮。以上試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與理論預(yù)測(cè)結(jié)果一致，因此可以采用等強(qiáng)度設(shè)計(jì)技術(shù)對(duì)復(fù)合材料殼體進(jìn)行設(shè)計(jì)。

隨著長(zhǎng)徑比的增加，筒身中部縱向纏繞層上的冗余質(zhì)量占整個(gè)殼體質(zhì)量的比例不斷增加，當(dāng)采用等強(qiáng)度增強(qiáng)技術(shù)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行研制時(shí)可以大幅度降低冗余質(zhì)量，提高殼體的PV/W值，因此等強(qiáng)度增強(qiáng)技術(shù)對(duì)于大長(zhǎng)徑比殼體更為有效。表4列出了等強(qiáng)度增強(qiáng)大長(zhǎng)徑比(長(zhǎng)徑比4∶1)Φ150 mm殼體的內(nèi)壓檢測(cè)結(jié)果，內(nèi)壓破壞殘骸見(jiàn)圖4。

表4 大長(zhǎng)徑比T800HB碳纖維Φ150 mm殼體水壓檢測(cè)Tab.4 Hydrostatic test result of high length－to－diameter ratioΦ150 mm case made of T800HB carbon fiber

結(jié)果表明，殼體的水壓爆破位置發(fā)生在筒身段，且為粉碎性破壞，縱向纖維和環(huán)向纖維為等強(qiáng)度破壞，縱環(huán)向纖維的強(qiáng)度得到充分發(fā)揮。采用等強(qiáng)度增強(qiáng)技術(shù)制備的大長(zhǎng)徑比殼體由于筒段軸向與環(huán)向強(qiáng)度相當(dāng)，與傳統(tǒng)纖維纏繞殼體相比其縱向材料用量大大降低，因此其PV/W值高達(dá)48.7 km。與傳統(tǒng)纖維纏繞Φ150 mm殼體PV/W值為35 km相比，提高39.1%。

2 Φ480 mm殼體驗(yàn)證分析

2.1 有限元分析

以Φ480 mm殼體為研究對(duì)象，采用等強(qiáng)度增強(qiáng)技術(shù)進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)，殼體工藝設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表5。

表5 T800HB碳纖維Φ480 mm殼體工藝設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.5 Processing parameters ofΦ480 mm case made of T800HB carbon fiber

根據(jù)以上工藝參數(shù)，在距離赤道位置大于40 mm的范圍內(nèi)取應(yīng)力平衡系數(shù)為1設(shè)計(jì)殼體筒段壁厚，其余增強(qiáng)位置的厚度在應(yīng)力平衡系數(shù)為0.65條件下計(jì)算得到。以ANSYS有限元軟件為平臺(tái)建立殼體幾何模型，施加一定的內(nèi)壓載荷，求解計(jì)算得到殼體縱環(huán)向纏繞層的應(yīng)變分析結(jié)果，見(jiàn)圖5和表6。

表6 殼體纏繞層應(yīng)變Tab.6 Strain of winding layer for case

從表6可知，當(dāng)增強(qiáng)區(qū)域應(yīng)力平衡系數(shù)取0.65時(shí)，Φ480 mm殼體上的縱環(huán)向應(yīng)變分布情況與Φ150 mm完全一致，故可以按照該工藝參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)以上理論分析獲得的Φ480 mm殼體的等強(qiáng)度增強(qiáng)工藝參數(shù)，采用日本東麗公司生產(chǎn)的T800HB－12k碳纖維制備大后開(kāi)口Φ480 mm殼體，并進(jìn)行水壓內(nèi)壓爆破試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表7，殘骸見(jiàn)圖6。

表7 定量化等強(qiáng)度增強(qiáng)Φ480 mm殼體水壓試驗(yàn)結(jié)果Tab.7 Hydrostatic test result of quantitative isostrength reinforcedΦ480 mm case

結(jié)果表明:Φ480 mm殼體的爆破壓力達(dá)到了17.5 MPa，爆破形貌為從筒身向封頭位置擴(kuò)展并最終導(dǎo)致金屬件的脫落，該實(shí)驗(yàn)結(jié)果也進(jìn)一步證明了定量化等強(qiáng)度增強(qiáng)技術(shù)的可用性和可靠性。

3 結(jié)論

(1)纖維纏繞復(fù)合材料殼體為不等強(qiáng)度結(jié)構(gòu)，整個(gè)殼體特別是筒段位置存在過(guò)多的冗余質(zhì)量，導(dǎo)致殼體的效率較低，有必要采用等強(qiáng)度增強(qiáng)技術(shù)對(duì)纖維纏繞復(fù)合材料殼體進(jìn)行設(shè)計(jì)，確保纖維纏繞殼體筒身中部的縱環(huán)向纖維具有近似相等的破壞強(qiáng)度，最終達(dá)到提高殼體容器效率的目的。

(2)通過(guò)理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證可知，當(dāng)Ф150 mm殼體封頭及筒身上靠近赤道位置附近的部分區(qū)域縱向纏繞層的應(yīng)力平衡系數(shù)取0.65，其余位置應(yīng)力平衡系數(shù)取1時(shí)，可以確保結(jié)構(gòu)為近似等強(qiáng)度結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)結(jié)果與分析結(jié)果一致，充分說(shuō)明了等強(qiáng)度增強(qiáng)設(shè)計(jì)概念的準(zhǔn)確性。

(3)隨著長(zhǎng)徑比的增加，筒身中部縱向纏繞層上的冗余質(zhì)量占整個(gè)殼體質(zhì)量的比例不斷增加，當(dāng)采用等強(qiáng)度增強(qiáng)技術(shù)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行研制時(shí)可以大幅度降低冗余質(zhì)量，提高殼體的容器效率，因此等強(qiáng)度增強(qiáng)技術(shù)更加適合于大長(zhǎng)徑比產(chǎn)品的研制開(kāi)發(fā)。

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