考慮邊界約束條件的C/SiC壁板熱屈曲試驗(yàn)研究

吳振強(qiáng) 宮文然 程昊 賈洲俠 方國東

考慮邊界約束條件的C/SiC壁板熱屈曲試驗(yàn)研究

吳振強(qiáng)1宮文然1程昊1賈洲俠1方國東2

(1 北京強(qiáng)度環(huán)境研究所 可靠性與環(huán)境工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100076；2 哈爾濱工業(yè)大學(xué)特種環(huán)境復(fù)合材料技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150080)

當(dāng)熱變形受到限制或承受非均勻溫度場時，復(fù)合材料壁板易發(fā)生熱屈曲現(xiàn)象，導(dǎo)致出現(xiàn)分層或改變了結(jié)構(gòu)的動力學(xué)特性，嚴(yán)重影響著飛行器結(jié)構(gòu)的完整性。本文選取典型C/SiC壁板為試驗(yàn)件，設(shè)計了水冷邊界工裝，采用雙向限制位移方法模擬試驗(yàn)件的邊界約束狀態(tài)。基于石英燈加熱裝置，開展了不同升溫速率下的熱屈曲試驗(yàn)，采用熱像儀和數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)等測試獲取了真實(shí)的溫度場和變形場。同時開展了不同溫度狀態(tài)下的熱模態(tài)試驗(yàn)。依據(jù)壁板中心點(diǎn)離面位移變化和第1階固有頻率變化計算得到熱屈曲臨界溫度，并作對比分析，可為熱防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計和力熱試驗(yàn)驗(yàn)證提供技術(shù)支撐。

C/SiC壁板；熱變形；熱屈曲臨界溫度；離面位移；固有振動頻率

0 引言

為滿足耐高溫和輕質(zhì)化的設(shè)計要求，飛行器機(jī)身和機(jī)翼結(jié)構(gòu)多采用耐高溫合金或防熱承載一體化的高溫復(fù)合材料薄壁結(jié)構(gòu)[1-2]。在高馬赫數(shù)巡航飛行或再入過程中會經(jīng)歷嚴(yán)酷的氣動力、氣動熱、振動、噪聲等多場服役環(huán)境，當(dāng)熱變形受到限制或承受非均勻溫度場時，蒙皮結(jié)構(gòu)在熱應(yīng)力作用下易發(fā)生永久性的屈曲變形或局部熱屈曲現(xiàn)象，改變了結(jié)構(gòu)的動力學(xué)響應(yīng)特征，復(fù)合材料壁板局部還會出現(xiàn)強(qiáng)度破壞如分層等，嚴(yán)重影響著飛行器結(jié)構(gòu)的完整性，成為制約飛行器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析和重復(fù)使用性能評估的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸[3-7]。

從20世紀(jì)90年代開始，NASA就針對鈦合金、金屬基復(fù)合材料的典型加筋壁板結(jié)構(gòu)開展了大量熱屈曲工程試驗(yàn)和仿真研究[8,9]。我國對壁板結(jié)構(gòu)的熱屈曲分析與試驗(yàn)技術(shù)的研究也十分關(guān)注，航空航天領(lǐng)域?qū)I(yè)研究所把熱屈曲試驗(yàn)作為結(jié)構(gòu)熱強(qiáng)度試驗(yàn)的重要組成部分[4,5]。此外，熱屈曲分析對薄壁結(jié)構(gòu)的熱模態(tài)、結(jié)構(gòu)動力學(xué)響應(yīng)分析和動強(qiáng)度評估也十分重要，成為薄壁結(jié)構(gòu)動力學(xué)響應(yīng)分析的前提條件。文獻(xiàn)[10]從解析法、有限元法和試驗(yàn)技術(shù)等方面總結(jié)了壁板結(jié)構(gòu)熱屈曲行為的研究進(jìn)展，給出了通過試驗(yàn)確定熱屈曲臨界溫度的方法。文獻(xiàn)[11]從X-15、空天飛機(jī)研究計劃的工程實(shí)際需求出發(fā)，對平板的熱屈曲理論、熱結(jié)構(gòu)壁板的仿真和工程結(jié)構(gòu)的熱屈曲試驗(yàn)技術(shù)等進(jìn)行了總結(jié)。

近年來，國內(nèi)高校和研究所開展了較多的熱屈曲試驗(yàn)研究，其中高校多集中在新型熱防護(hù)結(jié)構(gòu)的熱屈曲行為研究，一般采用高溫箱作為加熱裝置，試驗(yàn)件尺寸不大，溫度場比較均勻。如文獻(xiàn)[12]采用高溫箱和固定框架對輕質(zhì)金屬點(diǎn)陣夾層板的熱屈曲性能進(jìn)行研究；如文獻(xiàn)[13]采用高溫箱和萬能試驗(yàn)機(jī)對點(diǎn)陣加芯鋁板在熱載荷下的穩(wěn)定性問題進(jìn)行研究，分析了面板厚度及夾芯桿件的粘結(jié)程度對試驗(yàn)件整體屈曲和局部屈曲的影響。針對工程結(jié)構(gòu)熱屈曲試驗(yàn)的需求，國內(nèi)采用石英燈陣加熱方法對加筋壁板結(jié)構(gòu)的熱屈曲試驗(yàn)和試驗(yàn)流程進(jìn)行了研究[14,15]。熱屈曲試驗(yàn)中試驗(yàn)件變形的測試是進(jìn)行熱屈曲行為研究和熱屈曲臨界溫度計算的關(guān)鍵參數(shù)，以數(shù)字圖像相關(guān)為基礎(chǔ)的熱環(huán)境下變形測試技術(shù)在熱屈曲試驗(yàn)中得到廣泛應(yīng)用，國內(nèi)結(jié)合紅外測溫和數(shù)字圖像相關(guān)方法，建立了溫度/變形測試方法，用于瞬態(tài)加熱環(huán)境下壁板結(jié)構(gòu)的熱屈曲行為研究[16,17]。可知，由于飛行器真實(shí)結(jié)構(gòu)尺寸較大，熱屈曲試驗(yàn)中還要求進(jìn)行較多物理參數(shù)的同時測量，采用石英燈或石墨等輻射加熱器進(jìn)行熱屈曲試驗(yàn)是目前工程單位的首選形式。

溫度場分布和邊界條件是影響熱屈曲試驗(yàn)實(shí)施效果的關(guān)鍵因素，文獻(xiàn)[18]針對金屬梁結(jié)構(gòu)，采用石英燈加熱研究了非均勻溫度場對其熱屈曲行為的影響規(guī)律；文獻(xiàn)[19]采用石英燈加熱器和固定夾具對C/SiC壁板開展了溫度達(dá)1000℃的熱屈曲試驗(yàn)，不足是試驗(yàn)件與夾具之間采用螺栓固定連接，試驗(yàn)中夾具和連接螺栓溫度較高，影響了試驗(yàn)邊界條件。文獻(xiàn)[20]采用有限元方法對C/SiC壁板的熱屈曲試驗(yàn)進(jìn)行仿真分析，對真實(shí)的試驗(yàn)邊界進(jìn)行仿真模擬。文獻(xiàn)[21]為減小邊界條件對試驗(yàn)結(jié)果的影響，設(shè)計了兼有加熱和冷卻功能的壓板用于加筋板的熱屈曲試驗(yàn)。此外，復(fù)合材料壁板通常在開展熱屈曲試驗(yàn)后，還需要開展熱振動/熱噪聲等試驗(yàn)，試驗(yàn)邊界的連接松動或變形引起壁板結(jié)構(gòu)的固有振動特性改變，將導(dǎo)致壁板結(jié)構(gòu)動力學(xué)響應(yīng)分析和動強(qiáng)度評估困難。

本文面向熱防護(hù)結(jié)構(gòu)性能評估需求，選取典型的平紋編織C/SiC復(fù)合材料壁板為試驗(yàn)件，設(shè)計了特定的水冷邊界工裝夾具，基于螺栓采用雙向限制位移方法模擬試驗(yàn)件的邊界約束狀態(tài)。采用石英燈加熱裝置，開展了不同升溫速率下的熱屈曲試驗(yàn)，采用熱像儀和數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)，測試獲取了試驗(yàn)件真實(shí)的溫度場和變形場分布，同時開展了不同溫度狀態(tài)下的熱模態(tài)試驗(yàn)。依據(jù)試驗(yàn)件中心點(diǎn)離面位移變化和第1階固有頻率的變化計算得到熱屈曲臨界溫度，并作對比分析，可為熱防護(hù)薄壁結(jié)構(gòu)設(shè)計和力熱試驗(yàn)驗(yàn)證提供技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)方法

1.1 壁板結(jié)構(gòu)熱屈曲試驗(yàn)裝置

壁板結(jié)構(gòu)的熱屈曲試驗(yàn)裝置如圖1所示[10,19]，采用石英燈組成的輻射加熱器對試驗(yàn)件單面進(jìn)行加熱，選用長度50cm的1kW石英燈，可控硅電源通過反饋的熱電偶測試溫度信號對加熱器進(jìn)行控制，試驗(yàn)件通過設(shè)計的安裝夾具固定在地面支撐支架上，試驗(yàn)件溫度采用熱電偶和紅外熱像儀進(jìn)行測試。輻射加熱環(huán)境下，試驗(yàn)件的固有頻率采用敲擊和激光測振的方法進(jìn)行測量[7]。

圖1 熱屈曲試驗(yàn)裝置示意圖

1.2 安裝邊界及試驗(yàn)件測點(diǎn)

試驗(yàn)件采用CVI工藝的平紋編織C/SiC平板，厚度為1.5mm，尺寸為380mm×260mm，加熱面積為350mm×230mm。試驗(yàn)件加熱面采用4個K型熱電偶進(jìn)行測試，測點(diǎn)T1和T2位于試驗(yàn)件的中心，T3和T4位于試驗(yàn)件的邊部，在試驗(yàn)件背熱面采用紅外熱像儀進(jìn)行溫度場測量，如圖2所示。位移計測點(diǎn)DM-1位于試驗(yàn)件受熱面的中心，位移計的頂端采用石英桿，穿過石英燈加熱器進(jìn)行測量。采用數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）設(shè)備從背熱面對試驗(yàn)件變形場進(jìn)行測量，試驗(yàn)件表面制備高溫散斑，為消除石英燈輻射加熱器的影響，采用藍(lán)光LED光源進(jìn)行測量。試驗(yàn)件四周的約束方式如圖3所示，采用螺栓和壓板限制試驗(yàn)件四周的面內(nèi)位移和面外位移，通水對試驗(yàn)夾具進(jìn)行冷卻。

圖2 測點(diǎn)位置

圖3 安裝夾具和試驗(yàn)件

1.3 試驗(yàn)狀態(tài)與試驗(yàn)過程

包含4個試驗(yàn)狀態(tài)：狀態(tài)(1)：以0.2℃/s升溫到300℃的熱屈曲試驗(yàn)；狀態(tài)(2)：以0.5℃/s升溫到500℃的熱屈曲試驗(yàn)；狀態(tài)(3)：以0.5℃/s升溫到400℃的熱屈曲試驗(yàn)；狀態(tài)(4)：室溫～500℃間隔穩(wěn)態(tài)條件下固有頻率獲取試驗(yàn)。

具體實(shí)施過程可見圖4，以0.2℃/s升溫時，數(shù)字圖像測試設(shè)備每隔2℃采集1次，以0.5℃/s升溫時，數(shù)字圖像測試設(shè)備每隔2℃采集1次，固有頻率測試每間隔50℃進(jìn)行一次測試，局部溫度范圍采取間隔10℃進(jìn)行測試。

圖4 試驗(yàn)過程圖

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 溫度測試結(jié)果

采用石英燈加熱器以不同的升溫速率對試驗(yàn)件進(jìn)行加熱，各個測點(diǎn)熱電偶測試溫度隨時間的變化曲線如圖5所示，以試驗(yàn)件一個中心測點(diǎn)的熱電偶測量值進(jìn)行反饋控制。可知當(dāng)以升溫速率0.2℃/s升溫時，中心測點(diǎn)T1和T2溫度相差不大，當(dāng)中心控制點(diǎn)溫度為200.0℃，T3測點(diǎn)溫度為187.5℃，T4溫度為142.5℃。以升溫速率為0.5℃/s升溫時，當(dāng)中心控制點(diǎn)溫度為500℃, T3測點(diǎn)溫度為484.3℃，T4測點(diǎn)溫度為276.6℃，可知試驗(yàn)件邊部與中心點(diǎn)溫度有一定溫差。

圖5 熱電偶溫度時間變化曲線

采用熱像儀對加熱過程中試驗(yàn)件的溫度場進(jìn)行測量，并把中心點(diǎn)溫度與熱電偶測試的溫度進(jìn)行對比。選取以0.5℃/s升溫到500℃的測試狀態(tài)進(jìn)行分析，測試的50℃、100℃、200℃和500℃的溫度場分布如圖6所示，由于石英燈加熱器的加熱特點(diǎn)和水冷邊界的影響，試驗(yàn)件溫度場的分布呈現(xiàn)中心部位高，四周邊界溫度低的分布特點(diǎn)，試驗(yàn)件的上側(cè)邊界比下側(cè)略高。

2.2 變形場DIC測試結(jié)果

在試驗(yàn)件以0.5℃/s升溫到500℃的過程中，選取50℃、100℃、300℃和500℃時的離面位移場進(jìn)行分析，測試結(jié)果如圖7所示。可知，C/SiC復(fù)合材料壁板在加熱過程中，試驗(yàn)件向受熱面一側(cè)進(jìn)行彎曲，發(fā)生了離面的熱變形，其中試驗(yàn)件離面位移的等高線基本呈環(huán)狀分布，最大值位于試驗(yàn)件中心附近，也反映出熱屈曲夾具設(shè)計的合理性。在加熱的過程中，離面位移逐漸增大，當(dāng)試驗(yàn)件溫度達(dá)500℃時，試驗(yàn)件最大的離面位移約為2.24mm。

圖6 試驗(yàn)件溫度場分布

圖7 離面位移場分布圖

2.3 基于離面位移的熱屈曲臨界溫度判定

文中采用接觸式位移計和非接觸的DIC設(shè)備分別獲得了加熱過程中試驗(yàn)件中心測點(diǎn)的離面位移隨時間的變化曲線。其中采用接觸式位移計對試驗(yàn)件加熱面的中心位置點(diǎn)進(jìn)行測量，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖8所示，測試結(jié)果均為正值，表明試驗(yàn)件中心向加熱器方向突出。文獻(xiàn)[17]對熱屈曲臨界溫度的判定方法進(jìn)行了總結(jié)，主要包含拐點(diǎn)法、South-well方法、應(yīng)變分離法等。此處采用拐點(diǎn)法，求出曲線相鄰兩段的曲線斜率，兩曲線交叉點(diǎn)處即為熱屈曲臨界溫度值。采用位移計三次加熱曲線下獲得試驗(yàn)件的臨界熱屈曲試驗(yàn)溫度基本相同，由此判斷出的熱屈曲臨界溫度cr約為211.6℃。

基于DIC測試的試驗(yàn)件中心離面位移隨溫度的變化如圖9所示，可知當(dāng)試驗(yàn)件中心溫度最高到500℃時，測試結(jié)果顯示為負(fù)值，采用拐點(diǎn)法計算出C/SiC平板試驗(yàn)件的熱屈曲臨界溫度約為T=209.9℃。

圖8 中心點(diǎn)離面位移隨溫度變化曲線

圖9 中心點(diǎn)離面位移隨溫度變化曲線(DIC)

2.4 基于固有頻率的熱屈曲臨界溫度判斷

針對安裝后的試驗(yàn)件，采用同一石英燈加熱器進(jìn)行加熱，當(dāng)試驗(yàn)件中心溫度達(dá)到指定溫度后保持穩(wěn)定，通過敲擊法測試獲取試驗(yàn)件的第1階固有頻率。首先從常溫至500℃，每間隔50℃，開展一次熱模態(tài)試驗(yàn)，分別獲得每個穩(wěn)定時間段的固有頻率。隨后，為了更準(zhǔn)確獲得固有頻率隨溫度的變化規(guī)律，在熱屈曲臨界溫度附近增加幾個溫度狀態(tài)開展熱模態(tài)試驗(yàn)，最后獲得試驗(yàn)件的第1階固有頻率如表1所示。可知，常溫環(huán)境下，試驗(yàn)件的第1階固有頻率為245.0Hz，當(dāng)溫度增加到500℃，試驗(yàn)件的固有頻率為367.5Hz。

表1 壁板第1階固有頻率

圖10 第1階固有頻率隨溫度變化

C/SiC壁板第1階固有頻率隨溫度的變化曲線如圖10所示，在整個試驗(yàn)過程中，試驗(yàn)件不同測點(diǎn)的溫度呈階梯狀變化，每個指定溫度狀態(tài)中，試驗(yàn)件的溫度保持相對穩(wěn)定，在整個加熱過程中，試驗(yàn)件第1階頻率呈現(xiàn)先下降再升高的特征。此處仍采用拐點(diǎn)法，獲得了試驗(yàn)件的熱屈曲臨界溫度T=230.6℃左右。對比可知，此處采用位移計、DIC設(shè)備測試面外位移變化和基于固有頻率變化計算都分別獲得了試驗(yàn)件的熱屈曲臨界溫度，在目前的安裝狀態(tài)下，可判定試驗(yàn)件在209℃～230℃之間發(fā)生了熱屈曲現(xiàn)象。

3 結(jié)論

1）設(shè)計了特定的熱屈曲水冷試驗(yàn)夾具，有效限制了試驗(yàn)件邊部的面內(nèi)位移和面外位移，近似模擬了固支邊界的約束條件，避免了熱屈曲或熱振動/熱噪聲試驗(yàn)中試驗(yàn)件的滑動和熱應(yīng)力松弛現(xiàn)象，保證了C/SiC壁板熱屈曲試驗(yàn)正常實(shí)施。

2）在加熱條件下，C/SiC壁板離面位移基本呈環(huán)狀分布。在300℃時，試驗(yàn)件的最大離面位移約0.86mm；在500℃時，試驗(yàn)件的最大離面位移約2.24mm。

3）在設(shè)計的熱屈曲夾具下，通過石英燈加熱，由于熱膨脹效應(yīng)試驗(yàn)件出現(xiàn)了熱屈曲現(xiàn)象。通過采用位移計、DIC測試試驗(yàn)件中心點(diǎn)的離面位移和通過熱模態(tài)試驗(yàn)測試獲得固有頻率隨溫度的變化曲線，對C/SiC平板的熱屈曲行為進(jìn)行研究，計算獲得了試驗(yàn)件的熱屈曲臨界溫度在209℃～230℃。

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Thermal Buckling Tests of C/SiC Plates with the Special Restricted Boundary Conditions

WU Zhen-qiang1GONG Wen-ran1CHENG Hao1JIA Zhou-xia1FANG Guo-dong2

(1 Science and Technology on Reliability and Environmental Engineering Laboratory, Beijing Institute of Structure and Environment Engineering, Beijing 100076,China; 2 National Key Laboratory of Science and Technology on Advanced Composites in Special Environments, Harbin Institute of Technology, Harbin 150080, China)

Thermal buckling of composite plate occurs easily when the thermal deformation is restricted or thermal load is not uniform.Delimitation of composite plate is also induced by the thermal buckling and the structural dynamic characteristic is also changed.It presents a significant challenge for the integrity of thermal protection structures.Here, a typical C/SiC plate is chosen, and a mounting frame is cooled by the water.The displacements along in-plane and out-of-plane directions are all restricted by this mounting frame.The testing plate is heated by a quartz lamp apparatus, and thermal buckling tests with the different heating rate are carried out.Accurate temperature field is measured by the thermal imaging system.The deformation field is gained by a digital image correlation (DIC) system.Moreover, thermal modal tests are executed within different thermal environments.The critical buckling temperatures based on out-of-plane displacement and the first natural frequency are calculated and compared.These results are very vital to structure design and thermal-mechanical tests.

C/SiC plate; Thermal deformation; Critical thermal buckling temperature; Out-of-plane displacement; Natural vibration frequency

V416.4

A

1006-3919(2021)06-0017-07

10.19447/j.cnki.11-1773/v.2021.06.003

2021-07-29；

2021-12-01

國家自然科學(xué)基金聯(lián)合基金項(xiàng)目 (U20B2002)；重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金項(xiàng)目(6142905193210)；

吳振強(qiáng)（1979—），男，博士，研究員，研究方向：力熱復(fù)合試驗(yàn)技術(shù)：(100076)北京9200信箱72分箱.