炭纖維延伸率對(duì)殼體性能的影響①

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 710129;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

復(fù)合材料發(fā)動(dòng)機(jī)殼體的發(fā)展經(jīng)歷了玻璃纖維、芳綸纖維及炭纖維復(fù)合材料3個(gè)階段，性能不斷提高，功能日臻完善。其中，炭纖維是20世紀(jì)60年代研制的一種新型高強(qiáng)度、高模量增強(qiáng)材料。80年代以后，炭纖維在力學(xué)性能方面取得重大突破，其比強(qiáng)度、比模量躍居各先進(jìn)纖維之首。采用炭纖維制造的發(fā)動(dòng)機(jī)殼體剛性好、變形小，可減少推進(jìn)劑藥柱的變形，且與絕熱層的粘接牢固，是復(fù)合材料發(fā)動(dòng)機(jī)殼體增強(qiáng)材料的新寵［1］。炭纖維種類較多，按其性能可分為超高模炭纖維(模量在440 GPa以上)、高模炭纖維(模量320～440 GPa)、中模炭纖維(模量265～320 GPa)、高強(qiáng)炭纖維或標(biāo)準(zhǔn)模量炭纖維(模量在265 GPa以下)［2］。

T800、T1000炭纖維為中模炭纖維典型代表，同類產(chǎn)品還有美國(guó)赫克里斯公司的IM6、IM7炭纖維及阿莫科公司的T-40炭纖維。中模炭纖維在航天領(lǐng)域的典型應(yīng)用是固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體，如美國(guó)的三叉戟IID5導(dǎo)彈、侏儒導(dǎo)彈、大力神-4火箭，法國(guó)的阿里安-2火箭改型、日本的M-5火箭等發(fā)動(dòng)機(jī)殼體都選用了中模型炭纖維［3］。根據(jù)國(guó)內(nèi)外資料報(bào)道，中模型炭纖維在復(fù)合材料發(fā)動(dòng)機(jī)殼體上應(yīng)用的性能發(fā)揮水平有高有低［4－7］。

本文以炭纖維的延伸率為切入點(diǎn)，結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)殼體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析不同延伸率的炭纖維對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)殼體性能帶來的影響，通過試驗(yàn)驗(yàn)證后，提出進(jìn)一步改善殼體性能的工藝措施，提升了T800炭纖維在發(fā)動(dòng)機(jī)殼體模擬件上的強(qiáng)度轉(zhuǎn)化率。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料

T700SC-12000-50C炭纖維，T800HB-12000-50B炭纖維，T1000GB-12000-40D炭纖維，日本東麗公司;環(huán)氧樹脂配方，自制。

1.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

將纖維在一定張力作用下浸漬樹脂后，采用數(shù)控纏繞機(jī)按一定線型纏繞φ150 mm殼體，固化后脫除芯模，按GB 6058—2005在自制設(shè)備上進(jìn)行水壓檢測(cè)試驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 炭纖維性能

表1列出了 T700、T800、T1000炭纖維的性能數(shù)據(jù)。由表1可見，T800炭纖維強(qiáng)度較T700炭纖維提高12.0%，模量提高約27.8%，而延伸率降至1.8%;T1000炭纖維與T800炭纖維同為中模型炭纖維，但強(qiáng)度較T800炭纖維提高16.0%;與T700相比，T1000炭纖維強(qiáng)度、模量提高幅度分別為30.0%與27.8%，而延伸率兩者相差不大。因此，3種炭纖維中T800斷裂應(yīng)變和斷裂韌性較低，即材質(zhì)偏脆，這將給炭纖維殼體設(shè)計(jì)和制備帶來許多新的問題。

表1 3種炭纖維性能數(shù)據(jù)Table 1 Properties of three types of carbon fiber

2.2 殼體結(jié)構(gòu)分析

發(fā)動(dòng)機(jī)殼體主要由筒段、封頭、金屬接頭、前后連接裙、內(nèi)絕熱層組成。炭纖維復(fù)合材料殼體一般采用纏繞工藝方法成型，筒段是由縱向加環(huán)向纏繞而成，封頭則是在圓筒縱向纏繞時(shí)同步完成的，其厚度是極孔處最厚、赤道處最薄，且與圓筒縱向?qū)雍穸认嗟?，因此筒段和封頭過渡區(qū)(赤道處)存在厚度突變。一般而言，封頭上靠近赤道附近的環(huán)向承受壓縮應(yīng)力作用，而筒段上靠近赤道附近的環(huán)向?yàn)槔鞈?yīng)力，同時(shí)赤道位置存在著一定的彎曲應(yīng)力作用，因此該部位處于拉、壓、彎、剪共同作用的復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)［8－10］。這樣就使得赤道位置成為封頭的薄弱環(huán)節(jié)，封頭破壞也往往起源于此，最終導(dǎo)致整個(gè)封頭的破壞，甚至殃及裙和筒段。此外，金屬接頭和殼體復(fù)合材料剛度不同，封頭和金屬接頭外緣靠近筒段部分，在載荷作用下會(huì)產(chǎn)生局部應(yīng)力集中，易導(dǎo)致封頭沿肩部外緣被剪(彎)斷。此類現(xiàn)象的發(fā)生，除了與封頭厚度及接頭的肩寬比有關(guān)外，同時(shí)與接頭肩部的剛度也有很大關(guān)系。以往的接頭設(shè)計(jì)，肩部厚度是從肩根開始，以線性關(guān)系減小到肩外緣的“零厚度”，這對(duì)玻璃纖維和有機(jī)纖維殼體的鋁合金接頭尚可，但對(duì)于鋼或鈦合金接頭的炭纖維殼體，當(dāng)肩外緣的彎曲剛度較大時(shí)，會(huì)對(duì)封頭產(chǎn)生很大的彎矩和軸向剪切應(yīng)力集中［11］，這對(duì)斷裂應(yīng)變和斷裂韌性較低的炭纖維殼體封頭部位尤為不利。

2.3 炭纖維延伸率影響分析

為簡(jiǎn)化計(jì)算，節(jié)省機(jī)時(shí)，分析過程中建立了結(jié)構(gòu)的1/256幾何模型，在其對(duì)稱面上施加對(duì)稱約束條件，對(duì)殼體內(nèi)表面施加內(nèi)壓載荷進(jìn)行分析。分析過程中，假定縱、環(huán)向?qū)永硐胝辰?。研究?duì)象為φ150 mm殼體，設(shè)計(jì)爆破壓強(qiáng)34 MPa，分別對(duì) T700、T800、T1000炭纖維纏繞的殼體在34 MPa下的應(yīng)變分布進(jìn)行了分析，見圖1～圖3。其中，3種炭纖維殼體的應(yīng)力平衡系數(shù)均取0.72，纖維體積分?jǐn)?shù)60%，筒段纏繞角28°，其余相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)按GB/T 6058—2005執(zhí)行。

圖1 T700炭纖維殼體環(huán)向及縱向纏繞層應(yīng)變?cè)茍DFig.1 Strain nephogram of T700 carbon fiber case hoop and longitudinal winding layer

圖2 T800炭纖維殼體環(huán)向及縱向纏繞層應(yīng)變?cè)茍DFig.2 Strain nephogram of T800 carbon fiber case hoop and longitudinal winding layer

圖3 T1000炭纖維殼體環(huán)向及縱向纏繞層應(yīng)變?cè)茍DFig.3 Strain nephogram of T1000 carbon fiber case hoop and longitudinal winding layer

從圖1～圖3可看出，對(duì)于3種炭纖維纏繞的復(fù)合材料殼體，其環(huán)向纏繞層的環(huán)向應(yīng)變值在筒段中部位置最大，靠近赤道位置最小;而環(huán)向纏繞層的軸向應(yīng)變?cè)谕捕沃胁课恢米钚?，靠近赤道位置最大，其值甚至大于環(huán)向應(yīng)變的最大值，這將導(dǎo)致殼體在水壓過程中首先出現(xiàn)橫向開裂?？v向纏繞層的縱向應(yīng)變則在靠近赤道位置和金屬接頭位置附近較高，但均小于環(huán)向纏繞層的環(huán)向應(yīng)變值;縱向纏繞層的橫向應(yīng)變?cè)谕捕沃胁亢涂拷饘俳宇^位置附近均較高，且都高于縱向纏繞層的縱向應(yīng)變值，這樣在內(nèi)壓作用下，殼體亦將首先出現(xiàn)橫向開裂。

對(duì)比3種炭纖維殼體的應(yīng)變計(jì)算結(jié)果之間區(qū)別可看出，在設(shè)計(jì)爆破壓力下，T800炭纖維殼體的縱環(huán)向應(yīng)變趨勢(shì)與其余2種纖維一致;但T800炭纖維殼體環(huán)向纏繞層上承擔(dān)的軸向拉伸應(yīng)變最大值與環(huán)向拉伸應(yīng)變最大值之比為0.98，其余纖維殼體的比值均為1.00;T800炭纖維殼體縱向纏繞層上承擔(dān)的橫向壓縮應(yīng)變最大值與縱向拉伸應(yīng)變最大值之比為0.56，而其余纖維殼體的比值分別為0.40與0.47。從變化趨勢(shì)來看，延伸率較低的T800炭纖維殼體在封頭上靠近赤道的位置處產(chǎn)生了更高的壓縮應(yīng)變。因此，其更易在封頭上靠近赤道位置附近發(fā)生復(fù)雜的破壞模式。

2.4 試驗(yàn)驗(yàn)證

按GB/T 6058—2005制備T700、T800、T1000炭纖維的φ150 mm殼體，并進(jìn)行水壓爆破試驗(yàn)，對(duì)以上分析進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果見表2，水壓后殼體殘骸見圖4。

表2 3種炭纖維φ150 mm殼體水壓試驗(yàn)結(jié)果(設(shè)計(jì)壓強(qiáng)34 MPa)Table 2 Results of hydraulic test on three types of carbon fiber φ150 mm cases(design pressure is 34 MPa)

由水壓檢測(cè)結(jié)果可看出，T700、T1000炭纖維均滿足設(shè)計(jì)要求，爆破壓強(qiáng)甚至超過設(shè)計(jì)壓強(qiáng)，說明其與發(fā)動(dòng)機(jī)殼體的結(jié)構(gòu)及纏繞工藝性適配性很好，纖維強(qiáng)度轉(zhuǎn)化率高，這對(duì)提高殼體的特性系數(shù)有積極作用。通過殼體水壓爆破后的殘骸可看出，延伸率較高的T700、T1000炭纖維殼體的破壞位置均在殼體筒段，縱、環(huán)向纖維強(qiáng)度得到了充分發(fā)揮。而延伸率較低的T800炭纖維殼體出現(xiàn)了封頭部位低壓破壞的現(xiàn)象，纖維環(huán)向強(qiáng)度轉(zhuǎn)化率僅為65.7%，中模類炭纖維的性能優(yōu)勢(shì)并未得到體現(xiàn)。破壞模式一種是靠近赤道部位的封頭發(fā)生斷裂，原因在上述分析中已體現(xiàn);另外一種是殼體沿接頭肩部外緣被剪斷，這是在內(nèi)壓作用下，此處產(chǎn)生了較大的彎矩和軸向剪切力，開孔越大，此彎矩和軸向剪切力越大，這對(duì)斷裂應(yīng)變和斷裂韌性較低的T800炭纖維復(fù)合材料殼體尤為不利，當(dāng)此處的等效剪應(yīng)力達(dá)到其等效剪切強(qiáng)度時(shí)，就出現(xiàn)了金屬接頭肩部外緣處的復(fù)合材料封頭被齊齊剪斷的情況。

2.5 改善措施與結(jié)果

根據(jù)上述分析結(jié)論與試驗(yàn)結(jié)果可看出，炭纖維延伸率的高低對(duì)殼體性能有直接影響。提升延伸率較低的T800炭纖維殼體性能的措施首先該適當(dāng)減小金屬接頭肩部外緣的彎曲剛度，緩解其對(duì)封頭產(chǎn)生的應(yīng)力集中;同時(shí)，通過局部補(bǔ)強(qiáng)增加封頭部位的材料厚度以彌補(bǔ)強(qiáng)度的不足。當(dāng)然降低應(yīng)力平衡系數(shù)也是一種快捷有效的手段，但降低應(yīng)力平衡系數(shù)會(huì)導(dǎo)致殼體縱向強(qiáng)度與材料富余［12］，結(jié)構(gòu)效率并非最優(yōu)。

圖4 3種炭纖維殼體水壓爆破殘骸Fig.4 Remains of hydraulic test on three types of carbon fiber φ150 mm cases

2.5.1 金屬接頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化

通過金屬接頭肩部外緣處的封頭強(qiáng)度校核，對(duì)金屬接頭內(nèi)型面進(jìn)行優(yōu)化，使其呈非線性弱化曲面。以34 MPa內(nèi)壓進(jìn)行復(fù)合材料纏繞層設(shè)計(jì)，分別對(duì)金屬接頭結(jié)構(gòu)未優(yōu)化及優(yōu)化后T800炭纖維復(fù)合材料在封頭上的應(yīng)變分布情況進(jìn)行分析，結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 金屬接頭結(jié)構(gòu)未優(yōu)化情況下封頭上縱向纏繞層應(yīng)變Fig.5 Strain of longitudinal winding layer before metal joint＇s structure unoptimization

圖6 金屬接頭節(jié)優(yōu)化后封頭上縱向纏繞層應(yīng)變Fig.6 Strain of longitudinal winding layer in metal joint＇s structure after optimization

從圖5、圖6可看出，在金屬接頭結(jié)構(gòu)未優(yōu)化的情況下，封頭上靠近接頭附近的縱向纏繞層最大縱向拉伸應(yīng)變?yōu)?.31%，最大橫向拉伸應(yīng)變?yōu)?.30%，處于一個(gè)較高的雙向拉伸應(yīng)變狀態(tài)，且封頭上靠近赤道處存在著較高的縱向拉伸應(yīng)變，數(shù)值達(dá)到1.39%;當(dāng)金屬接頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，封頭上靠近金屬接頭附近上縱向纏繞層的最大縱向拉伸應(yīng)變?yōu)?.01%，最大橫向拉伸應(yīng)變?yōu)?.17%，而封頭上靠近赤道處的縱向拉伸應(yīng)變大降至0.70%?？傮w來看，金屬接頭附近的縱向拉伸應(yīng)變降低22.90%，橫向拉伸應(yīng)變降低10.00%，赤道位置附近的縱向拉伸應(yīng)變值降低49.64%。因此，采用金屬接頭優(yōu)化方案，可有效地降低封頭上纖維纏繞層在金屬接頭邊緣位置的應(yīng)力狀態(tài)。

2.5.2 封頭補(bǔ)強(qiáng)

通過對(duì)炭纖維復(fù)合材料殼體封頭部位補(bǔ)強(qiáng)，增加鋪層厚度，減小封頭的局部應(yīng)力集中，可彌補(bǔ)薄弱區(qū)域的強(qiáng)度不足，從而提高殼體的內(nèi)壓承載能力，避免水壓檢測(cè)時(shí)發(fā)生封頭低壓破壞現(xiàn)象。根據(jù)T800炭纖維φ150 mm殼體縱、環(huán)向纏繞層應(yīng)變分析，確定出封頭補(bǔ)強(qiáng)層的位置及厚度。補(bǔ)強(qiáng)后，封頭復(fù)合材料厚度增加約15.0%。殼體水壓試驗(yàn)結(jié)果:爆破壓強(qiáng)36.4 MPa(設(shè)計(jì)壓強(qiáng)34 MPa)，環(huán)向強(qiáng)度轉(zhuǎn)化率85.6%。殘骸見圖10。

圖7 T800炭纖維φ150 mm殼體水壓破壞殘骸Fig.7 Remains of hydraulic test on T800 carbon fiber φ150 mm case

試驗(yàn)結(jié)果表明，采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化的金屬接頭及封頭補(bǔ)強(qiáng)措施，解決了延伸率較低的T800炭纖維殼體封頭低壓破壞的問題;水壓爆破殘骸可見，破壞位置均在殼體筒段，縱、環(huán)向纖維強(qiáng)度得到了充分發(fā)揮。

3 結(jié)論

(1)延伸率較高的T700、T1000炭纖維與殼體結(jié)構(gòu)匹配性好，φ150 mm殼體環(huán)向強(qiáng)度轉(zhuǎn)化率近乎達(dá)到90%甚至以上。

(2)延伸率較低的T800炭纖維殼體在金屬接頭邊緣部位及封頭靠近赤道的位置產(chǎn)生了復(fù)雜的應(yīng)力集中，導(dǎo)致殼體在內(nèi)壓試驗(yàn)中封頭低壓破壞，纖維強(qiáng)度轉(zhuǎn)化率偏低。

(3)通過金屬接頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化與封頭補(bǔ)強(qiáng)，解決了T800炭纖維延伸率較低帶來的殼體封頭低壓破壞問題，使殼體的環(huán)向纖維強(qiáng)度轉(zhuǎn)化率由65.7%提升至85.6%。

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