應(yīng)變隔離墊高溫力學(xué)性能試驗及應(yīng)力分布規(guī)律

孔斌, 楊家勇, 王曼, 張慶茂, 黃杰, 姚衛(wèi)星,3

(1.南京航空航天大學(xué) 飛行器先進設(shè)計技術(shù)國防重點學(xué)科實驗室, 江蘇 南京 210016;2.中國航空工業(yè)集團公司 成都飛機設(shè)計研究所, 四川 成都 610091;3.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, 江蘇 南京 210016)

航天飛機軌道器在發(fā)射和再入階段受到氣動加熱的作用[1-3],為保證內(nèi)部機體結(jié)構(gòu)在可承受的溫度范圍內(nèi),需要在機體表面附加熱防護系統(tǒng)(TPS)[4-6],即熱防護系統(tǒng)起到阻隔外部熱量進入到內(nèi)部結(jié)構(gòu)的作用,其平面形狀通常為矩形,寬度大約為50～300 mm,TPS通常由涂層、防熱瓦、及SIP構(gòu)成。TPS最上面為高輻射率的涂層,輻射率通常高于0.8,其主要作用是將大部分氣動熱輻射到大氣中,對結(jié)構(gòu)傳熱性能影響較小;下層是防熱瓦,它是一種低導(dǎo)熱系數(shù)的材料,是TPS隔熱的最主要部件,其厚度一般在20～100 mm范圍內(nèi);防熱瓦通過應(yīng)變隔離墊與機體粘接在一起,而應(yīng)變隔離墊主要作用是保證防熱瓦與機體之間的變形協(xié)調(diào),其厚度往往在1～8 mm之間,且主要由nomex纖維構(gòu)成。

TPS除了抵御外部氣動加熱外,還受到外部氣動力的作用,在這些機械載荷作用下SIP將產(chǎn)生應(yīng)力、應(yīng)變響應(yīng),若SIP的應(yīng)力或應(yīng)變超出其允許的最大值時SIP將發(fā)生破壞,造成防熱瓦與機體表面的分離與TPS的失效,軌道器將發(fā)生災(zāi)難性的事故,故TPS設(shè)計時必須進行SIP的力學(xué)響應(yīng)分析,其前提條件是需要獲得SIP的力學(xué)性能參數(shù)。

目前應(yīng)變隔離墊力學(xué)特性的研究還非常少,Sawyer等[7-8]通過試驗研究了室溫下SIP的力學(xué)特性,獲得了在拉伸和剪切載荷作用下SIP的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和破壞應(yīng)力,取得了一些重要的研究成果。但是前人的研究環(huán)境為室溫,由于氣動加熱的作用SIP通常處于100～350℃溫度環(huán)境下,故需要研究高溫對SIP力學(xué)特性的影響,獲得高溫下SIP的力學(xué)性能參數(shù),并為后續(xù)SIP的力學(xué)分析提供輸入條件,這對SIP的強度以及TPS的完整性至關(guān)重要。

為了研究SIP在高溫下的力學(xué)特性,本文設(shè)計了SIP的平拉、平壓和平剪試驗件以及試驗夾具,在常溫(23±2℃)和300℃高溫環(huán)境下進行了拉伸、壓縮和剪切試驗,獲得了試驗件的載荷-位移曲線、彈性模量及破壞應(yīng)變,并根據(jù)以上試驗結(jié)果進行了高溫和室溫環(huán)境下SIP的應(yīng)力分布規(guī)律研究。

1 SIP高溫力學(xué)性能試驗

1.1 試驗件

SIP是TPS的重要組成部分，如圖1所示。本文測試用的SIP是通過針刺技術(shù)制備而成的nomex織物,為了研究其在高溫下的基本力學(xué)性能,本文設(shè)計了3類試驗件,分為拉伸、壓縮和剪切試驗件,試驗件尺寸和實物圖分別如圖2和圖3所示。為了研究溫度對SIP的力學(xué)特性的影響規(guī)律,考慮了常溫(23±2℃)和300℃高溫2種試驗環(huán)境。拉伸試驗件上、下立方體鐵塊通過中間SIP粘接在一起;壓縮試驗件僅為SIP;而剪切試驗件上、下鐵板通過中間SIP粘接在一起,構(gòu)成單搭接的型式。圖2中的試驗件尺寸L1=L2=60 mm,L3=120 mm及L4=60 mm,此外SIP厚度H=2 mm。由此可知共有6組試驗,每組試驗有5件試驗件,試驗件共30件,試驗件編號規(guī)則為:T(C,S)-N(H)-1(2,3,…,5)。其中T代表拉伸試驗,C代表壓縮試驗,S代表剪切試驗;N代表常溫環(huán)境,H代表300℃高溫環(huán)境;1(2,3,…,5)為試驗件號。

圖1 TPS標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)

圖2 試驗件尺寸

圖3 試驗件實物圖

1.2 試驗方法

本文的試驗環(huán)境分常溫(23±2℃)和300℃高溫兩類,試驗采用MTS370.25單軸拉、壓試驗機。針對高溫試驗,將試驗機夾頭和試驗件置于高溫環(huán)境箱中以達到加熱試驗件到指定溫度的目的。此外高溫試驗還需要在試驗結(jié)束后向環(huán)境箱注入液氮以達到快速冷卻環(huán)境箱中的溫度的目的。

根據(jù)拉伸試驗標(biāo)準(zhǔn)ASTM Standard C297/C297M-04[9]、壓縮試驗標(biāo)準(zhǔn)ASTM Standard C365-03[10]和剪切試驗標(biāo)準(zhǔn)ASTM Standard C273/C273M-07a[11],拉伸、壓縮和剪切試驗件的加載情況如圖4所示,通過試驗機的測力傳感器和位移傳感器可以測得試驗過程中載荷-位移曲線。

圖4 試驗件加載圖

在拉伸和壓縮試驗過程中載荷P可表示為:

P=K·δ=σ·S

(1)

式中,K為載荷-位移曲線的斜率,δ為位移傳感器測試的位移,σ為SIP應(yīng)力,S為SIP面積。又因為應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系:

(2)

式中,E為SIP的拉伸或壓縮彈性模量,ε為SIP應(yīng)變,t0為SIP厚度。由(1)式和(2)式可得SIP的拉伸和壓縮彈性模量的計算式:

(3)

而在剪切試驗過程中載荷P可表示為:

P=K·d=τ·S

(4)

式中,d為位移傳感器測試的剪切試驗件受載后的相對位移,τ為SIP剪應(yīng)力。又因為應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系:

(5)

式中,G為粘接層剪切彈性模量,γ為粘接層剪切應(yīng)變。由(4)式和(5)式可得SIP的剪切彈性模量的計算式:

(6)

當(dāng)獲得試驗過程中的載荷-位移曲線的斜率K后,可以通過(3)式和(6)式計算SIP的拉伸模量、壓縮模量和剪切模量。由于拉伸和剪切試驗中SIP會破壞,而一般情況下壓縮試驗中SIP并不會破壞,載荷會持續(xù)上升,最后由夾具承載。故針對拉伸和剪切試驗,選取50%最大載荷與原點連線的斜率作為K值,而針對壓縮試驗,選取初始近似線性段的斜率最為K值。

2 試驗結(jié)果

2.1 載荷-位移曲線

首先考慮壓縮試驗,高溫下典型的載荷-位移曲線如圖5所示。

圖5 高溫下壓縮試驗典型載荷-位移曲線

可以觀察到載荷-位移曲線呈現(xiàn)2個階段：第1階段曲線的近似直線的斜率可視為SIP的剛度,而隨后曲線并沒有出現(xiàn)載荷下降的現(xiàn)象,且試驗結(jié)束后進行SIP的檢查,并未發(fā)現(xiàn)明顯的破壞。此外本文的SIP致密性較高,而非傳統(tǒng)的多孔介質(zhì)材料,故試驗后SIP的體積變化也很小。綜上所述可得試驗過程中SIP并未發(fā)生明顯破壞,載荷持續(xù)上升,最后主要由上、下夾具承受載荷,即圖中的第2階段。

針對拉伸和剪切試驗,高溫下典型的載荷-位移曲線如圖6所示,同樣可以觀察到載荷-位移曲線呈現(xiàn)2個階段,第1階段曲線為載荷上升階段,其近似直線的斜率可視為SIP的剛度,而載荷-位移曲線因為試驗件的破壞而造成的載荷下降現(xiàn)象,即第2階段的曲線。

圖6 高溫下拉伸和剪切試驗典型載荷-位移曲線

2.2 高溫下SIP的力學(xué)性能參數(shù)

本文的拉伸、壓縮和剪切試驗測得了試驗件的載荷-位移曲線,將載荷-位移曲線的斜率K帶入(3)式和(6)式即可獲的SIP的拉伸、壓縮和剪切模量,此外還測得了SIP的破壞應(yīng)變,如表1所示。從表1中的結(jié)果數(shù)據(jù)可以得到以下結(jié)論:

1) 相比常溫,在300℃高溫下SIP的彈性模量均有所下降,其中SIP拉伸、壓縮和剪切彈性模量分別下降了9.68%,9.24%和8.73%,即高溫引起了SIP材料的軟化,導(dǎo)致了其剛度的下降;

2) 相比常溫,在300℃高溫下SIP的拉伸和剪切破壞應(yīng)變分別下降了11.59%和12.81%,即高溫導(dǎo)致了SIP破壞應(yīng)變的下降;

3) SIP拉伸彈性模量明顯大于其壓縮和剪切彈性模量,而壓縮和剪切彈性模量卻相近。此外SIP的剪切破壞應(yīng)變明顯大于其拉伸破壞應(yīng)變。

SIP的以上試驗結(jié)果可作為TPS強度設(shè)計時SIP的輸入?yún)?shù),考慮高溫下SIP剛度和強度的下降以及各向異性特征能獲得更精確的SIP強度分析結(jié)果,提高TPS的完整性。

表1 SIP力學(xué)性能試驗結(jié)果

3 SIP高溫應(yīng)力分布規(guī)律

航天飛機軌道器再入過程中受到氣動吸力和表面摩擦力的作用,此外在進行TPS的安裝時需要在防熱瓦外表面施加壓力以完成與機體表面的粘接過程。本文研究了TPS在外部氣動吸力、安裝壓力以及剪切力作用下SIP的應(yīng)力分布規(guī)律,如圖7所示。

圖7 TPS載荷工況

分析模型自上至下依次為隔熱瓦、SIP和機體結(jié)構(gòu)。其中TPS寬度W=150 mm,防熱瓦厚度H1=45 mm,SIP厚度H2=2 mm,機體為鋁合金材料,厚度H3=1.5 mm,彈性模量E1=72 GPa,泊松比為ν1=0.3。防熱瓦彈性模量E2=70 MPa,泊松比為ν2=0.25,SIP彈性模量采用表1中的試驗結(jié)果。根據(jù)以上參數(shù)建立了二維有限元模型,并且采用四邊形平面應(yīng)變單元進行模擬,由于本文研究的是SIP的應(yīng)力分布規(guī)律,故假設(shè)氣動吸力、安裝壓力以及剪切力均為0.01 MPa,且機體底部固定。

分析獲得了在氣動吸力、安裝壓力和剪切力作用下的SIP正應(yīng)力及剪切應(yīng)力的分布情況,如圖8所示,從圖中可獲得以下結(jié)論:

1) 在局部吸力、安裝壓力和剪切力作用下,SIP應(yīng)力呈現(xiàn)中間低邊緣高的趨勢,峰值出現(xiàn)在在邊緣處,這是由于泊松效應(yīng)造成的,在粘接結(jié)構(gòu)中廣泛存在此現(xiàn)象;

2) 在局部吸力和安裝壓力作用下,SIP應(yīng)力主要為沿厚度方向正應(yīng)力,而在剪切力作用下,SIP不僅產(chǎn)生剪切應(yīng)力,還會產(chǎn)生沿厚度方向正應(yīng)力,并且正應(yīng)力一端受拉,一端受壓;

3) SIP邊緣是最薄弱的地方,最容易發(fā)生破壞,應(yīng)給予重點考察和足夠的重視。

圖8 SIP應(yīng)力分析有限元模型

4 結(jié) 論

1) 在常溫(23±2℃)和300℃高溫2種試驗環(huán)境下進行了SIP的拉伸、壓縮和剪切試驗,獲得了試驗件的載荷-位移曲線、彈性模量及破壞應(yīng)變。

2) 相比常溫下,在300℃高溫下SIP的拉伸、壓縮和剪切彈性模量分別下降了9.68%,9.24%和8.73%,在300℃高溫下SIP的拉伸和剪切破壞應(yīng)變分別下降了11.59%和12.81%,即高溫引起了SIP剛度和破壞應(yīng)變的下降。

3) 在局部吸力、安裝壓力和剪切力作用下,SIP應(yīng)力呈中間低邊緣高的趨勢,即SIP的邊緣處是高應(yīng)力區(qū)域,是危險區(qū)域。