大尺寸整體C/SiC復(fù)合材料蒙皮骨架松動(dòng)問題分析

張利鵬 侯保江 辛克浩 孫亦璋 王成華

（北京航天長(zhǎng)征飛行器研究所，北京 100076）

文 摘 針對(duì)大尺寸整體C/SiC復(fù)合材料骨架和蒙皮結(jié)構(gòu)在165 dB熱噪聲試驗(yàn)調(diào)試過程中出現(xiàn)的蒙皮松動(dòng)問題進(jìn)行分析，提出了蒙皮與骨架裝配時(shí)空懸面積過大引起蒙皮呼吸振動(dòng)幅度增加，從而導(dǎo)致噪聲振動(dòng)環(huán)境中蒙皮松動(dòng)的現(xiàn)象。仿真分析表明，在相同的加速度激勵(lì)下隨著蒙皮與骨架局部空懸面積變大，位移響應(yīng)增大約1.72 倍；通過裝配間隙為0.2、0.6、1 mm 的3 組平板試驗(yàn)件進(jìn)行驗(yàn)證，當(dāng)蒙皮與骨架間隙較大時(shí)，其膠層厚度也較大，經(jīng)過多次熱加載后，膠層粘接性能下降，蒙皮與骨架之間空懸現(xiàn)象顯現(xiàn)，在振動(dòng)激勵(lì)下導(dǎo)致蒙皮松動(dòng)。最后提出了大尺寸復(fù)合材料蒙皮與骨架裝配時(shí)需保證最大間隙不超過0.3 mm的改進(jìn)措施。

0 引言

C/SiC 復(fù)合材料即碳纖維增強(qiáng)陶瓷基體復(fù)合材料，具有優(yōu)異的抗燒蝕性能、高比強(qiáng)度、高比模量、耐熱沖擊等特點(diǎn)，是一種性能可設(shè)計(jì)的新型高性能復(fù)合材料［1］。在空氣中使用時(shí)，當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到1 500 ℃時(shí)仍然可以保持良好的力學(xué)性能，廣泛應(yīng)用于火箭噴管、航天飛機(jī)等高溫耐磨的航空航天技術(shù)領(lǐng)域中［2］。隨著航天型號(hào)中大尺寸舵翼結(jié)構(gòu)研制需求增加，C/SiC 復(fù)合材料蒙皮和骨架的應(yīng)用也越來越多，蒙皮與骨架的可靠連接也至關(guān)重要［3］。本文針對(duì)某型大尺寸舵面結(jié)構(gòu)采用整體C/SiC 材料制備而成的骨架和蒙皮結(jié)構(gòu)在經(jīng)歷4 次熱加載試驗(yàn)后進(jìn)行165 dB 熱噪聲試驗(yàn)調(diào)試過程中出現(xiàn)的蒙皮松動(dòng)問題進(jìn)行機(jī)理分析，并提出改進(jìn)措施。

1 問題描述

某型號(hào)舵面形狀類似于飛機(jī)V 形尾翼，外形尺寸為1 500 mm×900 mm×130 mm，舵面尺寸較大，采用了蒙皮+骨架結(jié)構(gòu)形式，局部連接結(jié)構(gòu)如圖1所示。蒙皮厚度為4 mm，通過61 個(gè)沉頭螺釘與骨架連接，蒙皮和骨架均為整體改性C/SiC 材料一體成形，采用液相浸漬工藝，經(jīng)過多輪復(fù)合制得，蒙皮與骨架裝配時(shí)貼合面需涂高溫膠。沉頭螺釘材料與骨架蒙皮相同，螺紋規(guī)格M8，螺釘連接時(shí)涂抹高溫膠，并施加擰緊力矩2.5 N·m。

圖1 舵面局部結(jié)構(gòu)Fig.1 Local structure of rudder sruface

骨架局部結(jié)構(gòu)如圖2所示，骨架與蒙皮貼合面設(shè)有多處肋板。

圖2 骨架局部結(jié)構(gòu)Fig.2 Local structure of skeleton

骨架和蒙皮生產(chǎn)過程中的隨爐板力學(xué)性能如表1所示。

表1 C/SiC復(fù)合材料性能Tab.1 Properties of C/SiC

舵面骨架和蒙皮裝配后進(jìn)行165 dB 熱噪聲試驗(yàn)調(diào)試，檢查發(fā)現(xiàn)蒙皮與骨架貼合面大面積出現(xiàn)松動(dòng)，有明顯“按壓松動(dòng)”跡象，但61 個(gè)螺釘中僅5 個(gè)螺釘出現(xiàn)松動(dòng)，其余仍為擰緊狀態(tài)。

2 機(jī)理分析

2.1 理論分析

蒙皮與骨架之間主要通過復(fù)合材料沉頭螺釘緊固連接，以確保使用過程中蒙皮與骨架能始終貼合，避免蒙皮松動(dòng)并傳遞有效載荷［4］。蒙皮與骨架接觸面間不可避免存在“空懸”面積，“空懸”面積越大蒙皮呼吸振動(dòng)效應(yīng)越明顯，越易導(dǎo)致螺釘或蒙皮松動(dòng)甚至斷裂［5］。設(shè)計(jì)上采取以下措施控制蒙皮與骨架貼合狀態(tài)：

（1）對(duì)骨架網(wǎng)格結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，在滿足質(zhì)量和承載等約束條件下，通過增加骨架網(wǎng)格數(shù)量的方式減小“空懸”面積；

（2）在設(shè)計(jì)準(zhǔn)則允許的情況下增加螺釘數(shù)量，以提高骨架蒙皮結(jié)構(gòu)耐受沖擊/振動(dòng)環(huán)境能力；

（3）在裝配過程中控制蒙皮和骨架裝配間隙，盡量減少間隙，防止“空懸”面積增大，提高骨架蒙皮結(jié)構(gòu)耐受沖擊/振動(dòng)環(huán)境的適應(yīng)能力［6］。

對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行檢查發(fā)現(xiàn)蒙皮與骨架貼合存在較大面積間隙，測(cè)量結(jié)果表明蒙皮與骨架大部分間隙均超過0.3 mm，局部間隙甚至超過1 mm。圖3為蒙皮與骨架某處間隙實(shí)測(cè)情況，結(jié)果為0.4 mm。

圖3 蒙皮與骨架間隙實(shí)測(cè)值Fig.3 Clearance between skeleton and skin

在理想貼合或間隙較小情況下，通過螺釘緊固+小縫隙粘接的方式可以實(shí)現(xiàn)蒙皮與骨架間可靠連接；但當(dāng)間隙較大時(shí)，即使采取加膠措施但若不做填布處理，在高溫和振動(dòng)載荷作用下因膠層失效物質(zhì)流失，螺釘將很難將蒙皮與骨架緊固和可靠連接，由于貼合面“空懸”從而造成蒙皮松動(dòng)現(xiàn)象發(fā)生。

而61 個(gè)螺釘中僅5 個(gè)螺釘出現(xiàn)松動(dòng)，但大面積蒙皮已經(jīng)松動(dòng)，松動(dòng)的復(fù)合材料螺釘均處于蒙皮與骨架之間的空懸區(qū)域，根據(jù)螺釘松動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)制，可以判斷此5 個(gè)螺釘松動(dòng)是由于蒙皮松動(dòng)后引起局部區(qū)域響應(yīng)放大產(chǎn)生的。

2.2 仿真分析

模態(tài)頻率是表征結(jié)構(gòu)振動(dòng)的固有特性，根據(jù)模態(tài)差異可以定性評(píng)估其對(duì)噪聲引起的振動(dòng)環(huán)境適應(yīng)性的趨勢(shì)，據(jù)此開展了蒙皮和骨架連接區(qū)局部結(jié)構(gòu)的對(duì)比分析，建立相應(yīng)模型使用有限元方法分析“空懸”面積大小對(duì)蒙皮“呼吸”振動(dòng)的影響程度。

工況1為蒙皮和骨架貼合較好狀態(tài)，計(jì)算模型如圖4所示。該約束條件下一階模態(tài)頻率與振型結(jié)果如圖5所示。從模態(tài)分析結(jié)果看，在蒙皮四周與骨架連接良好的情況下，蒙皮與骨架局部結(jié)構(gòu)的一階頻率為1 941.7 Hz。

圖4 工況1蒙皮和骨架貼合較好Fig.4 The first condition that the skin fits well with the skeleton

圖5 工況1一階頻率Fig.5 The frequency of the first condition

工況2 為蒙皮和骨架中間不貼合狀態(tài)，如圖6所示，取中間桁條為非粘接狀態(tài)。該約束條件下一階模態(tài)頻率與振型結(jié)果如圖7所示。從模態(tài)分析結(jié)果看，當(dāng)其中一塊骨架與蒙皮連接出現(xiàn)異常，即存在間隙沒有緊密連接在一起時(shí)，此時(shí)空腔蒙皮的區(qū)域變大，從而局部的模態(tài)頻率迅速降低，一階模態(tài)頻率為1 481.8 Hz，比正常狀態(tài)下降約500 Hz。

圖6 工況2蒙皮與骨架貼合較差Fig.6 The second condition that the skin fits bad with the skeleton

圖7 工況2一階頻率結(jié)果Fig.7 The frequency of the second condition

對(duì)于簡(jiǎn)諧振動(dòng)，加速度與幅值的關(guān)系為：

式中，Xm為位移幅值，Am為加速度，ω為角頻率，f為頻率。

在相同的加速度下，位移幅值與結(jié)構(gòu)的頻率平方成反比，即［7］：

按工況1 和工況2 的模態(tài)計(jì)算結(jié)果，將一階頻率代入公式（3），可得：

從而可知，因蒙皮與骨架局部空懸面積的變大，在相同的加速度激勵(lì)下，位移響應(yīng)會(huì)增大約1.72倍。空懸面積越大，引起的位移響應(yīng)也越大。

從噪聲試驗(yàn)的破壞機(jī)理分析中，噪聲源的主要破壞方式就是引起薄壁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)，從而導(dǎo)致蒙皮區(qū)域的結(jié)構(gòu)破壞［8］。若蒙皮與骨架存在間隙，則空腔蒙皮的區(qū)域擴(kuò)大，不僅局部的“呼吸”頻率會(huì)降低，也會(huì)導(dǎo)致該處蒙皮的振動(dòng)響應(yīng)異常放大，加速緊固螺釘?shù)氖В瑖?yán)重會(huì)導(dǎo)致局部區(qū)域蒙皮應(yīng)力集中乃至破壞。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)件狀態(tài)

為了驗(yàn)證蒙皮與骨架之間間隙對(duì)振動(dòng)響應(yīng)的影響，設(shè)計(jì)了蒙皮與骨架間隙分別為0.2、0.6、1 mm 的局部典型平板粘接試驗(yàn)件，結(jié)構(gòu)形式和典型特征尺寸如圖8所示粘接后的試驗(yàn)件狀態(tài)見圖9。試驗(yàn)件材料均為C/SiC 復(fù)合材料，蒙皮與骨架連接30 mm 內(nèi)為涂膠區(qū)域，其余區(qū)域?yàn)榉峭磕z區(qū)，模擬蒙皮與骨架之間的連接狀態(tài)。

圖8 局部典型平板尺寸Fig.8 The size of local typical flat

圖9 平板試驗(yàn)件狀態(tài)Fig.9 The flat test products

3.2 試驗(yàn)條件

根據(jù)力熱強(qiáng)度試驗(yàn)熱載荷條件和165 dB噪聲試驗(yàn)實(shí)測(cè)振動(dòng)響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行包絡(luò)，確定平板試驗(yàn)件載荷條件。

每個(gè)試驗(yàn)件重復(fù)施加4次熱加載，前三次加載按圖10所示背風(fēng)面載荷條件加載，最后一次按圖11所示迎風(fēng)面載荷條件加載。

圖10 背風(fēng)面熱載荷條件Fig.10 Thermal loading conditions on leeward side

圖11 迎風(fēng)面熱載荷條件Fig.11 Thermal loading conditions on windward side

振動(dòng)試驗(yàn)條件根據(jù)165 dB 噪聲試驗(yàn)調(diào)試過程中蒙皮響應(yīng)實(shí)測(cè)進(jìn)行了包絡(luò)，同時(shí)考慮振動(dòng)臺(tái)設(shè)備能力，最終確定的試驗(yàn)條件如表2所示。

表2 平板驗(yàn)證試驗(yàn)隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)條件Tab.2 The conditions of random vibration test

3.3 試驗(yàn)過程

熱加載試驗(yàn)首先進(jìn)行3次背風(fēng)面加熱曲線加載，隨后進(jìn)行一次迎風(fēng)面加熱曲線加載，在每次加載后都自然冷卻至自然溫度并對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行目視檢查，確認(rèn)膠層無異常后進(jìn)行下一次加載［9］，試驗(yàn)過程如圖12所示。

圖12 熱加載試驗(yàn)過程Fig.12 The process of thermal loading test

振動(dòng)試驗(yàn)狀態(tài)如圖13所示。

圖13 振動(dòng)試驗(yàn)狀態(tài)Fig.13 The status of vibration test

3.4 試驗(yàn)結(jié)果

在熱加載試驗(yàn)前后均對(duì)3 塊平板縫隙處的膠層進(jìn)行了外觀檢查，同時(shí)在熱加載試驗(yàn)后也對(duì)平板進(jìn)行了按壓檢查，均未發(fā)現(xiàn)明顯的異常。

在進(jìn)行完隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)后，對(duì)3個(gè)平板試驗(yàn)件進(jìn)行了檢查，三種狀態(tài)緊固螺釘均仍處于緊固狀態(tài)，但蒙皮與骨架之間狀態(tài)不一致，結(jié)果如下：

（1）0.2 mm 膠層厚度的試驗(yàn)件外觀檢查膠層無異常，同時(shí)按壓平板結(jié)構(gòu)無異常，如圖14所示；

圖14 間隙為0.2 mm平板試驗(yàn)后狀態(tài)Fig.14 The state after test of 0.2 mm clearance falt

（2）0.6 mm 膠層厚度的試驗(yàn)件外觀檢查膠層有輕微疏松異常，按壓平板可感受輕微晃動(dòng)，測(cè)量蒙皮與骨架之間的間隙約為0.73 mm，如圖15所示；

圖15 間隙為0.6 mm平板試驗(yàn)后狀態(tài)Fig.15 The state after test of 0.6 mm clearance flat

（3）1 mm膠層厚度的試驗(yàn)件部分膠層脫落，按壓平板可以明顯感覺到兩板之間未明顯貼合，存在一定的按壓間隙量，同時(shí)在按壓時(shí)可以聽見膠層有“吱吱”響聲。測(cè)量蒙皮與骨架之間的間隙達(dá)到1.45 mm，三種狀態(tài)緊固螺釘均仍處于緊固狀態(tài)，如圖16所示。

圖16 間隙為1 mm平板試驗(yàn)后狀態(tài)Fig.16 The state after test of 1 mm clearance flat

試驗(yàn)結(jié)果表明：在振動(dòng)試驗(yàn)過程中，自由端承受大量級(jí)振動(dòng)激勵(lì)，當(dāng)膠層在經(jīng)歷多次熱加載后其拉離性能下降，自由端可能出現(xiàn)了脫粘的可能，但因緊固螺釘仍有限位作用，無法出現(xiàn)大變形的可能，故自由端會(huì)出現(xiàn)間隙變大的現(xiàn)象［10］。

4 結(jié)論

（1）蒙皮與骨架接觸面間不可避免存在“空懸”面積，“空懸”面積越大蒙皮呼吸振動(dòng)效應(yīng)越明顯，越易導(dǎo)致蒙皮或連接螺釘松動(dòng)甚至斷裂。

（2）隨著蒙皮與骨架局部空懸面積的變大，在相同的加速度激勵(lì)下，位移響應(yīng)會(huì)增大約1.72 倍。空懸面積越大，引起的位移響應(yīng)也越大。

（3）當(dāng)蒙皮與骨架之間間隙較大時(shí)，其膠層厚度也較大，在經(jīng)過多次熱加載后，膠層粘接性能會(huì)下降，蒙皮與骨架之間“空懸”現(xiàn)象顯現(xiàn)，在較大振動(dòng)響應(yīng)激勵(lì)下出現(xiàn)蒙皮松動(dòng)。

（4）為了保證大尺寸C/SiC 材料蒙皮骨架裝配可靠，蒙皮與骨架裝配時(shí)需保證最大間隙不超過0.3 mm。