大直徑弱剛性貯箱筒段內撐裝配過程應力分析

李波 渠曉溪 馬康 谷春杰 顧中華

（1 天津航天長征火箭制造有限公司，天津 300462; 2 大連理工大學，大連 116023）

0 引言

新一代大型運載火箭是中國由航天大國向航天強國邁進的重要支撐和顯著標志[1]。貯箱材料采用2219鋁合金，既承受內壓又承受軸壓載荷，且為低溫貯箱，是運載火箭的關鍵部件，對焊接質量提出了非常高的要求[2]。在貯箱制造過程中，裝配工藝是影響貯箱質量的重要因素。由于5m直徑結構貯箱整體剛性弱、部件形位偏差大，易引起對接錯縫，需要采用內撐、外壓裝置，以保持工件的穩定不變形[3]。目前解覺方式為通過內撐塊將筒段撐至一定直徑，內撐工裝處于對接焊縫中心處，使錯邊基本消除。但筒段在內撐變形之后必須保持在彈性范圍內，保證焊縫處為無塑性損傷撐大。現有的裝配工藝參數是根據大量實際操作經驗摸索出來的經驗值，對于撐出后筒段尤其是焊縫處的受力情況缺少數據支撐，裝配工藝參數較為寬泛，為進一步提高焊接質量，需對筒段內撐狀態下應力情況進行研究。

分布式光纖傳感器是將光纖既作為傳感介質，又作為傳輸介質，利用光在光纖中的散射原理，對沿光纖分布的環境參數進行連續測量，獲得被測量參數（溫度、應力、振動等）隨空間和時間變化的信息[4]的測量技術，具有空間尺寸小、柔性好等特點，比較適用于布線空間有限或曲面結構，或結構局部需要進行高密度、高靈敏度測量的情況。目前不僅已在橋梁路面的監測[5]、海底管道溫度應變測量[6]、地鐵隧道振動檢測[7]等領域應用廣泛，在航空航天領域也有適應性應用。顧欣[8]等人研究了航空航天器復合材料加筋板板面撞擊與筋條撞擊兩種情況下，板面和筋條上光纖Bragg光柵傳感器撞擊響應特性，提出了一種基于分布式光纖傳感器的復合材料加筋筋條撞擊位置辨識方法。針對鋁合金材料貯箱筒段的內撐過程，其布設的分布式光纖傳感器網絡可以很好的采集筒段焊縫鄰域的高密度應變數據，了精確地反映了筒段在常溫狀態下進行內撐時的表面應變和應力分布，能夠為評價貯箱結構狀態，確保焊接質量受控進行提供有力保障。

本文基于分布式光纖傳感器測量方法，選取10mm厚度的5m直徑筒段，在內撐作用下，分析測量筒段在不同的撐出量時的應力應變情況，研究探討筒段撐出半徑變化值與筒段所受應力的關系，為實際裝配工藝參數的選定提供理論支撐。

1 試驗方法

1.1 分布式光纖傳感器布設

試驗采用1根長度5米的分布式光纖傳感器，在貯箱筒段外表面縱縫關鍵部位進行布設，筒段為4塊壁板滾彎后焊接而成，其中壁板采用網格筋條結構，厚度為10mm，每部分為一個象限，焊接完成后吊至裝配型架固定。光纖傳感器實物及光纖粘貼區域如圖1所示，經過了2條縱焊縫，為從III偏II象限12°至III偏IV象限12°共計114°的測量范圍。

圖1 光纖傳感器及布設路徑Fig.1 Optical fiber sensor and placement math

布設時對光纖的頭部和尾部進行保護，靠近接頭位置的藍色套管位于應變測量范圍外部，并用膠帶固定在筒段的測量區域之外。分布式光纖傳感器與筒段焊縫、肋板相交，其交點視為光纖的節點。采用環氧樹脂膠固定在筒段上，環氧樹脂膠厚度保證可以完全沒過光纖即可，保證均勻。

1.2 光纖關鍵節點定位

光纖解調系統順利啟動后，將布設好的光纖連接到解調儀，解調儀如圖2所示，使用熱點法對光纖路徑的關鍵節點進行定位。

圖2 分布式光纖解調儀 Fig.2 Distributed fiber demodulator

將試件放置在穩定平面，當被測結構狀態穩定后，測基準數據。此時測量得到的應變曲線為一條上下波動不超過2με的直線，然后用手指靠近光纖關鍵節點附近，并測量應變，會發現應變曲線出現明顯的波峰，大小在200με左右，這個波峰對應的橫坐標就是節點在光纖長度方向的坐標。用同樣的方法定位其余節點。此試件光纖節點位置如表 1所示。其中，第4個節點與第16個節點是焊縫中點，第1個節點是光纖測量起點，第19個節點是光纖尾部，其余的節點是筋條與光纖的相交點。

表1 光纖節點位置 Table 1 The fiber node position

1.3 數據采集方案

將分布式光纖傳感器通過接頭的光纖跳線與解調儀相連，解調儀通過USB3.0數據線與計算機相連進行工藝試驗。根據實際工作經驗，選取支撐塊接觸筒段表面但無荷載、筒段半徑增大1mm、2mm、3mm共4個工況進行工藝試驗。試件與設備連接完成，在不同的受力狀態下，采集基準數據并保存；卸載時同步采集數據并保存。

2 試驗結果分析

以筒段不受加載外力，即支撐塊與筒段不接觸時的測量數據作為光纖測量的基準數據，通過光纖傳感器測量得到筒段變形的應變數據，依據公式σ=Eε，其中E=71.6GPa，得到不同變形量下筒段的應力分布情況，其中光纖傳感器上0.794m和4.754m位置分別對應筒段上的兩個焊縫位置。

2.1 支撐塊逐級加載過程筒段應力分析

對支撐塊逐級加載過程筒段應力分布進行了測量。當支撐塊與筒段表面接觸時，筒段已經產生了變形，如圖3所示，表示此時存在有應力（應變）變化，支撐塊已對筒段施加了一定的荷載，并不是理想的接觸而不施加力的狀態。焊縫位置也出現了應力集中現象，應力極值出現在4.754m處的焊縫位置，為116.21MPa，其余區域的應力水平主要分布在0～40MPa之間。

圖3 內撐與筒段接觸時筒段應力分布Fig.3 The stress distribution of tube in contact between inner brace and tube

隨著內撐塊逐漸推出，當筒段半徑增大1mm時，筒段應力逐漸增大。依據應力與應變的關系公式ε=ΔL/L，筒段半徑增大1mm時，筒段環向一周產生的理論應變為400με，理論應力增大28.64MPa。由于內撐塊與筒段接觸時，對筒段的大部分區域已造成了0～40MPa不等的應力變化，可以看出除了兩個焊縫區域外，筒段應力主要分布在20MPa～60MPa范圍內。應力集中位置在兩個焊縫區域，應力峰值分別是100.52MPa和155.95MPa。當筒段半徑增大2mm時，兩焊縫區域的應力峰值分別是141.77MPa、181.72MPa，其余區域應力主要分布在40MPa～80MPa之間，撐出過程中焊縫處變形為彈性變形。

當筒段半徑增大3mm時，筒段應力分布情況如圖4所示。此時筒段應力繼續增大，兩焊縫區域的應力峰值分別是201.41MPa、256.33MPa，其余區域應力水平主要分布在50MPa～100MPa之間。根據2219鋁合金板材焊接試片實際測得的力學性能，焊縫處實際屈服強度約為200MPa，則在此過程中部分焊縫已變為塑性變形，若長時間撐出狀態下，會對筒段整體圓度周長及結構強度產生不利影響。

圖4 筒段撐出半徑增大3mm時筒段應力分布Fig.4 The stress distribution of cylinder section when the protrusion radius increases by 3mm

將逐級加載過程不同支撐狀態下筒段應力分布情況進行對比觀察，如圖5 所示，可以看出，逐級加載過程中各級應力變化趨勢相同，在焊縫區域位置為應力峰值，隨著筒段半徑增大，各節點應力值逐漸增加，并在焊縫處出現應力集中現象。除焊縫節點外，其余大多數節點應力值在100MPa以下，并未發生塑性變形，說明壁板加筋結構增強了結構的強度。

圖5 筒段不同撐出狀態下各級應力分布Fig.5 The stress distribution of cylinder section by different protrusion radius

2.2 支撐塊卸載后筒段殘余應力分析

逐級加載完成后將內撐塊撤出，在完全卸載后（支撐塊與筒段不接觸）測量計算的應力數據中出現了5個大于5MPa的峰值，標號分別為a，b，c，d，f，如圖6所示。對峰值位置進行了測量，峰值a位于光纖的0.202m處，第一個焊縫區出現了2個峰值b和c，分別位于在0.758m處和0.825m處，第二個焊縫區同樣出現了2個峰值d和f，分別位于4.724m處和4.787m。

通過對比發現，峰值a位置在光纖起點處，在固定光纖頭部時，有一部分光纖沒有用環氧樹脂膠固定在筒面上，光纖測量起點位置是環氧樹脂膠固定光纖的起點位置。支撐筒段時，環氧樹脂膠起始點斷面處光纖產生了剪切力，出現了應力集中現象，完全卸載后產生了峰值。

圖6 卸載后筒段應力分布Fig.6 The stress distribution of cylinder section after unloading

對焊縫及b、c、d、f六個位置的各級應力數據單獨分析，如圖7所示。可以看出，在逐級加載階段，應力集中的峰值均在（或接近）焊縫處。而在卸載完成后，在第一個焊縫區域，峰值b、c分別距焊縫36mm和31mm，在第二個焊縫區域，峰值d、f分別距離焊縫30mm和33mm，可以看到在卸載后，兩個焊縫附近仍有小于10MPa的應力作用，即焊縫區域附近仍有微小的局部變形。現有研究顯示：焊接后整體處理可以消除80～90%的焊接殘余應力，局部熱處理也只能降低焊接殘余應力的峰值，不能將其完全消除。由于攪拌頭對焊縫中心區的碾壓（鍛壓）作用，攪拌摩擦焊接頭殘余應力峰值并非出現于焊縫中心區，熱影響區和熱機影響區是殘余應力相對較大的區域[9]。因此造成這種焊縫區域應力分布的原因是筒段未恢復至初始位置的變形以及焊縫區域的焊接殘余應力共同作用的結果。

圖7 焊縫區域關鍵點的應力分布Fig.7 The stress distribution of key points in weld zone

3 結論

本文借助分布式光纖傳感器，對不同內撐工況下10mm厚2219鋁合金筒段應力分布進行了測量分析，探討了筒段撐出半徑變化值與筒段所受應力的關系。

經過測量分析，支撐塊逐級加載過程中各級應力變化趨勢相同，筒段焊縫區域為應力峰值，筒段半徑增大時，焊縫處出現應力集中現象。除焊縫節點外，大多數節點應力值在100MPa以下，說明壁板加筋結構增強了結構的強度。當筒段半徑增大3mm時，焊縫處已出現塑性變形，若長時間撐出會對筒段整體結構強度產生不利影響，因此實際裝配中應嚴控變形量。