纖維纏繞復(fù)合殼體纖維發(fā)揮強(qiáng)度研究

包 樂 王紀(jì)霞 張崇耿 趙 榮 張新航 張海鵬

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纖維纏繞復(fù)合殼體纖維發(fā)揮強(qiáng)度研究

包 樂 王紀(jì)霞 張崇耿 趙 榮 張新航 張海鵬

（西安長峰機(jī)電研究所，西安 710065）

基于網(wǎng)格理論，可根據(jù)工藝參數(shù)預(yù)估殼體的理論水爆壓強(qiáng)。通過對復(fù)合殼體點火試驗后解剖測繪，同時結(jié)合先前水爆試驗結(jié)果，反算得出纏繞纖維的實際發(fā)揮強(qiáng)度，從而對纖維的強(qiáng)度發(fā)揮系數(shù)進(jìn)行修正，為后續(xù)類似復(fù)合殼體纖維纏繞提供一定的指導(dǎo)作用。

復(fù)合殼體；水爆壓強(qiáng)；發(fā)揮強(qiáng)度

1 引言

近年來，纖維纏繞復(fù)合材料由于具有比強(qiáng)度大、比模量高等特點，成為固體火箭發(fā)動機(jī)殼體的理想結(jié)構(gòu)件。碳纖維的抗拉強(qiáng)度和彈性模量高，熱膨脹系數(shù)小，導(dǎo)熱系數(shù)大，密度小，比強(qiáng)度高以及纖維強(qiáng)度轉(zhuǎn)化率高，既可在結(jié)構(gòu)中承載負(fù)荷，亦能作為功能材料，因此碳纖維復(fù)合材料制品發(fā)展迅速[1～3]。

網(wǎng)格分析是纖維增強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中用于預(yù)測應(yīng)力的一種十分重要的分析方法，網(wǎng)格理論認(rèn)為殼體中纖維是載荷的主要載體，只承受軸向載荷，忽略基體的承載能力[4]。根據(jù)纖維纏繞結(jié)構(gòu)的壁厚和纏繞角等設(shè)計參數(shù)，通過網(wǎng)格理論分析方法確定纖維的爆破壓強(qiáng)，從而使纖維在不同方向的配置與參考軸的載荷相匹配，得到合理的初始預(yù)估值，使結(jié)構(gòu)設(shè)計達(dá)到優(yōu)化。固體火箭發(fā)動機(jī)殼體的爆破壓強(qiáng)是殼體設(shè)計的重要參數(shù)，但由于工藝的限制，我們實際所得到的爆破壓強(qiáng)結(jié)果和理論爆破壓強(qiáng)有一定的誤差。

纖維纏繞制備復(fù)合材料容器時，纖維在復(fù)合材料中的破壞應(yīng)力低于單向試件或絲束試驗的破壞應(yīng)力，纖維強(qiáng)度有一定的損失，除了和纖維本身的性質(zhì)有關(guān)，其中，纏繞過程中纖維的損傷、復(fù)合材料中孔隙以及復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)等工藝因素對纖維強(qiáng)度的實際發(fā)揮系數(shù)都有較大的影響。本文對點火試驗后的復(fù)合殼體進(jìn)行解剖分析，結(jié)合水爆壓強(qiáng)逆推纖維的實際發(fā)揮強(qiáng)度, 用于指導(dǎo)后續(xù)的纏繞工作。

2 纖維纏繞殼體結(jié)構(gòu)

某纏繞殼體筒段外徑200mm，設(shè)計壁厚3mm，纖維環(huán)向厚0.75mm，螺旋向厚1.50mm，殼體長度1450mm，筒段內(nèi)徑97mm。復(fù)合殼體由環(huán)氧樹脂浸漬的T700碳纖維在貼絕熱層的芯模上纏繞而成。殼體纏繞模式為螺旋加環(huán)向纏繞，前后封頭為純螺旋纏繞。金屬前后接頭、前后裙與纏繞殼體之間通過彈性剪切層和粘接劑連接。殼體的前后接頭與前后裙采用鋁合金鍛件。

3 纖維纏繞爆破壓強(qiáng)

為了檢驗殼體的承壓能力，通常要進(jìn)行水壓試驗。水壓試驗分檢驗和破壞兩種。前者用于殼體驗收，后者用于確定殼體爆破壓強(qiáng)、纖維發(fā)揮強(qiáng)度和殼體安全裕度，并借以評估設(shè)計、材料和工藝水平。固體火箭發(fā)動機(jī)殼體的爆破壓強(qiáng)是殼體壁厚和安全系數(shù)選取的主要依據(jù)。當(dāng)殼體外徑由總體給定及殼體材料選定以后，壁厚與爆破壓強(qiáng)成正比，而殼體的安全系數(shù)等于爆破壓強(qiáng)與發(fā)動機(jī)最大工作壓強(qiáng)之比，因此較準(zhǔn)確地確定殼體的爆破壓強(qiáng)是提高發(fā)動機(jī)質(zhì)量比、可靠性和容積特性系數(shù)的重要基礎(chǔ)。

3.1 理論爆破壓強(qiáng)

纖維纏繞殼體是一種纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的薄壁結(jié)構(gòu)，可通過網(wǎng)格理論進(jìn)行承載能力分析。

在爆破壓強(qiáng)公式的推導(dǎo)中，纖維的強(qiáng)度受纖維強(qiáng)度發(fā)揮系數(shù)影響，因此在實際計算中，纖維既不能取單絲強(qiáng)度，也不能取復(fù)絲強(qiáng)度和紗帶強(qiáng)度，原因是根據(jù)網(wǎng)格理論的分析計算，樹脂的抗拉模量和抗拉強(qiáng)度只有纖維的2%～5%，當(dāng)殼體爆破時，破壞處的樹脂已起不到加強(qiáng)作用。所以網(wǎng)格理論不考慮基體樹脂的作用，也未考慮工藝影響，以及結(jié)構(gòu)和界面性能影響，將殼體看作是完全由纖維纏繞而成[5]。在網(wǎng)格理論分析中，對于承受薄膜應(yīng)力的螺旋纏繞結(jié)構(gòu)，載荷將全部由纖維承擔(dān)，并應(yīng)穩(wěn)定地保持原來網(wǎng)格的形狀。

在進(jìn)行碳纖維纏繞殼體的設(shè)計時首先應(yīng)確定纖維的強(qiáng)度，由單絲強(qiáng)度乘以纖維強(qiáng)度發(fā)揮系數(shù)（亦稱纖維強(qiáng)度轉(zhuǎn)換率），對玻璃纖維一般有=0.75～0.85，對于有機(jī)纖維有=0.6～0.7。因為剛開始進(jìn)行碳纖維復(fù)合殼體的設(shè)計、工藝以及很多特性不是很熟悉，一般保守地取纖維強(qiáng)度發(fā)揮系數(shù)0.65，由于纖維屬于非均衡性纏繞，且按照式（1）計算得出環(huán)向爆破壓強(qiáng)小于縱向爆破壓強(qiáng)。

纖維發(fā)揮強(qiáng)度=2730MPa，碳纖維單絲強(qiáng)度=4200MPa,強(qiáng)度系數(shù)取=0.65。

筒段內(nèi)徑r=97mm；

設(shè)計壁厚h=1.50mm,h=0.75 mm；

3.2 實際爆破壓強(qiáng)

采用三層環(huán)向和三層縱向（一個螺旋回合為一層）進(jìn)行了濕法復(fù)合殼體纏繞，三發(fā)復(fù)合殼體進(jìn)行了水壓爆破試驗，結(jié)果見表1。

表1 殼體水爆壓強(qiáng)

實際殼體水壓爆破位置發(fā)生在筒身段，殼體爆破壓強(qiáng)均略低于理論爆破壓強(qiáng)，說明在現(xiàn)有纏繞工藝條件下，強(qiáng)度系數(shù)取0.65還是略為偏大。

4 纏繞殼體解剖纖維的強(qiáng)度發(fā)揮系數(shù)

4.1 纏繞殼體試驗件結(jié)構(gòu)

復(fù)合殼體點火后經(jīng)過了機(jī)加、切割等處理。即將復(fù)合殼體按照如圖2示意的尺寸解剖開。解剖分成八個部分。圖3為解剖后的一段筒身段。

圖2 復(fù)合殼體解剖示意圖

圖3 解剖后的筒段

4.2 解剖測量

纏繞層數(shù)以及每層厚度的測試情況見表2。

表2 復(fù)合殼體解剖后纏繞層數(shù)以及層厚測試結(jié)果

由于纏繞線型按照3環(huán)、3縱纏繞，在計算實際纖維發(fā)揮強(qiáng)度時，環(huán)向厚度和螺旋向厚度應(yīng)該均乘以3，而且由于筒段纖維體積含量為68%，實際纖維厚度應(yīng)還分別乘以0.68。

4.3 計算纖維發(fā)揮強(qiáng)度

式中：=40°；h=1.55mm；h0.78mm；r=97mm；計算得：纖維的發(fā)揮強(qiáng)度=2492MPa。

實際發(fā)揮強(qiáng)度結(jié)果與設(shè)計值接近，說明設(shè)計過程中將纖維強(qiáng)度發(fā)揮系數(shù)取0.65，比較符合目前的設(shè)計和工藝水平。

實際纖維發(fā)揮強(qiáng)度與實際水爆情況得到印證，對于后續(xù)優(yōu)化纏繞線型進(jìn)而提高纖維強(qiáng)度發(fā)揮系數(shù)具有指導(dǎo)和參考意義。

5 結(jié)束語

a. 從碳纖維纏繞復(fù)合殼體點火解剖試驗結(jié)果分析得出，實際纖維發(fā)揮強(qiáng)度為2492MPa，低于理論計算纖維發(fā)揮強(qiáng)度。

b. 通過實際纖維發(fā)揮強(qiáng)度的計算，對后續(xù)優(yōu)化纏繞線型，適當(dāng)增加環(huán)向纏繞層厚度，進(jìn)而提高纖維強(qiáng)度發(fā)揮系數(shù)具有指導(dǎo)和參考意義。

1 陳明義. 先進(jìn)復(fù)合材料在戰(zhàn)略導(dǎo)彈固體發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用現(xiàn)狀與展望[J]. 宇航材料工藝，1990(4)：1～8

2 孫浩偉，李濤. 碳纖維及其復(fù)合材料在國外軍民領(lǐng)域的應(yīng)用[J]. 纖維復(fù)合材料，2005，22(3)：65～67

3 安慶升，王建昌. 某碳纖維復(fù)合材料發(fā)動機(jī)殼體設(shè)計研制[J]. 上海航天，2007，24(4)：62～64

4 胡寬. 基于網(wǎng)格理論的固體火箭發(fā)動機(jī)纖維纏繞殼體優(yōu)化設(shè)計[J]. 兵工學(xué)報，2008，29(9)：1099～1103

5 陳汝訓(xùn). 纖維纏繞殼體設(shè)計的網(wǎng)格分析方法[J]. 固體火箭技術(shù)，2003，26(1)：30～32

Study on Actual Strength of Carbon Filament Winding Composite Case

Bao le Wang Jixia Zhang Chonggeng Zhao Rong Zhang Xinhang Zhang Haipeng

(Xi’an Changfeng Research Institute of Mechanical-electrical, Xi’an 710065)

On the basis of the netting analysis, the water burst test of the composite case can be calculated with the process parameters. The actual strength of winding filament could be calculated with the dissection of the composite case after field ignition experiments, combined with the previous water burst test results, the actual strength coefficient has been corrected, the guidance can be provided for the future winding design.

composite case；water burst test；actual strength

包樂（1987），工程師，材料物理與化學(xué)專業(yè)；研究方向：固體火箭發(fā)動機(jī)材料與工藝研究。

2017-05-24