復(fù)合材料多瓣易碎蓋分離過程研究*

李文龍，周光明，蔡登安

(1 中國飛行試驗(yàn)研究院， 西安 710089；2 南京航空航天大學(xué)機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)及控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南京 210016)

0 引言

導(dǎo)彈發(fā)射箱蓋是導(dǎo)彈發(fā)射裝置的重要組成部分，其主要作用是：導(dǎo)彈日常貯存時(shí)，箱蓋能防止箱內(nèi)惰性氣體泄露并保護(hù)彈頭不受損傷；導(dǎo)彈發(fā)射時(shí)，箱蓋能迅速打開，保證導(dǎo)彈的正常發(fā)射。

傳統(tǒng)的發(fā)射箱蓋一般使用機(jī)械蓋或爆破蓋[1-4]，但這兩種類型的箱蓋不同程度上均存在重量大、反應(yīng)時(shí)間長等缺點(diǎn)。復(fù)合材料以其輕質(zhì)高強(qiáng)、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[5-6]在航空航天等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，因此研制復(fù)合材料易碎蓋已成為國內(nèi)外導(dǎo)彈發(fā)射裝置領(lǐng)域的新趨勢。

為實(shí)現(xiàn)易碎蓋的承壓和沖破性能要求，一般需要在復(fù)合材料易碎蓋上預(yù)置一些具有一定強(qiáng)度的薄弱區(qū)。Doane[7]研制了一種穿透式復(fù)合材料易碎蓋，導(dǎo)彈發(fā)射時(shí)彈頭撞擊易碎蓋上預(yù)置的薄弱區(qū)，使其破壞達(dá)到導(dǎo)彈迅速發(fā)射的目的。Kam[8-9]等在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了另一種形式的復(fù)合材料易碎蓋，該種箱蓋利用導(dǎo)彈發(fā)射時(shí)產(chǎn)生的燃?xì)饬鳑_擊易碎蓋實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開啟，并通過預(yù)留薄弱區(qū)來控制箱蓋的破壞軌跡。國內(nèi)，周光明等[10]研制了一種整體沖破式復(fù)合材料易碎蓋，由于其分離體在燃?xì)饬鞯臎_擊下攜帶能量較高，會(huì)對周圍的設(shè)備造成威脅，錢元[11]通過設(shè)計(jì)不同參數(shù)的薄弱區(qū)，實(shí)現(xiàn)了整體沖破式易碎蓋分離體的定向拋出。

考慮整體沖破式復(fù)合材料易碎蓋存在分離體重量較大的問題，基于等強(qiáng)度設(shè)計(jì)原則，文中提出了一種復(fù)合材料多瓣易碎蓋設(shè)計(jì)方案，并利用數(shù)值模擬和試驗(yàn)兩種手段研究了復(fù)合材料多瓣易碎蓋的分離過程。

1 易碎蓋結(jié)構(gòu)形式

多瓣易碎蓋采用球形結(jié)構(gòu)，將易碎蓋分為4個(gè)部分：框架、球面薄弱區(qū)、柱面薄弱區(qū)和6塊完全相同的分離體子蓋，易碎蓋的結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。球面薄弱區(qū)和柱面薄弱區(qū)采用相同的結(jié)構(gòu)形式，其結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。導(dǎo)彈日常貯存時(shí)，易碎蓋固定在發(fā)射筒上，各部分通過薄弱區(qū)連接起密封作用；導(dǎo)彈發(fā)射時(shí)，在燃?xì)饬鞯淖饔孟?，易碎蓋各薄弱區(qū)處的膠層發(fā)生破壞，蓋體分6瓣飛出。

對復(fù)合材料易碎蓋來說，薄弱區(qū)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度是影響箱蓋性能的關(guān)鍵因素之一，薄弱區(qū)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度可通過改變加貼層的搭接長度L和搭接厚度δ進(jìn)行調(diào)整。如果薄弱區(qū)參數(shù)選取不合理，使應(yīng)力集中處的薄弱區(qū)先破壞，易碎蓋有可能因漏氣而不被沖破，影響導(dǎo)彈的正常發(fā)射。因此，為保證復(fù)合材料多瓣易碎蓋的沖破性能，需合理的選擇各薄弱區(qū)的參數(shù)。

圖1 易碎蓋整體結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 薄弱區(qū)結(jié)構(gòu)示意圖

2 薄弱區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

為保證復(fù)合材料多瓣易碎蓋的沖破性能，需根據(jù)不同薄弱區(qū)的應(yīng)力分布，合理地設(shè)計(jì)各薄弱區(qū)域的強(qiáng)度。盡可能使受力不均勻的薄弱區(qū)在一定的沖破壓力作用下同時(shí)發(fā)生破壞，分離體子蓋向外四散飛出。

由于易碎蓋薄弱區(qū)結(jié)構(gòu)形式實(shí)際上采用的是復(fù)合材料雙搭接結(jié)構(gòu)，其強(qiáng)度主要受加貼層的搭接長度L和搭接厚度δ兩個(gè)參數(shù)的影響。為研究薄弱區(qū)強(qiáng)度隨這兩個(gè)參數(shù)的變化趨勢，文中制作了不同參數(shù)下薄弱區(qū)典型結(jié)構(gòu)形式的試驗(yàn)件各3個(gè)，利用萬能試驗(yàn)機(jī)對試驗(yàn)件進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。由圖3(a)可知，搭接厚度δ在0.1～0.4 mm范圍內(nèi)時(shí)，拉伸強(qiáng)度隨搭接長度的增大近似呈線性增大；由圖3(b)可知，搭接長度L在2～8 mm范圍內(nèi)時(shí)， 拉伸強(qiáng)度隨搭接長度的增大而增大，但增長速率逐漸下降。

圖3 雙搭接接頭拉伸試驗(yàn)結(jié)果

在0.8 MPa的內(nèi)壓作用下，通過有限元分析可得到，球面薄弱區(qū)沿球面自上而下的應(yīng)力分布如圖4所示，球面中心區(qū)域的應(yīng)力基本上是相等的，但在拐角處存在一定的應(yīng)力集中現(xiàn)象，且整體的應(yīng)力水平較高。而根據(jù)對稱性可知，柱面薄弱區(qū)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力非常均勻。因此，根據(jù)應(yīng)力水平的不同，將薄弱區(qū)可細(xì)化為4個(gè)區(qū)域如圖5所示。

圖4 球面薄弱區(qū)應(yīng)力分布

基于等強(qiáng)度設(shè)計(jì)原則，根據(jù)圖3及各薄弱區(qū)域的應(yīng)力水平差異，受易碎蓋制作工藝限制，給出了4個(gè)薄弱區(qū)域的搭接參數(shù)如表1所示，通過設(shè)置這4個(gè)強(qiáng)度有差異的薄弱區(qū)域，來保證各薄弱區(qū)域的破壞時(shí)間相對一致。

圖5 薄弱區(qū)按應(yīng)力劃分示意圖

薄弱區(qū)類型區(qū)域編號(hào)L/mmδ/mm球面薄弱區(qū)區(qū)域140.1區(qū)域260.2區(qū)域360.1柱面薄弱區(qū)區(qū)域440.2

3 有限元建模

復(fù)合材料易碎蓋主體材料與加貼層均采用高強(qiáng)玻璃纖維雙向斜紋布作為增強(qiáng)材料，環(huán)氧樹脂作為基體材料，文中主要考慮易碎蓋的分離形式，對蓋體的鋪層設(shè)計(jì)過程不再贅述。由于易碎蓋的徑向尺寸遠(yuǎn)大于蓋體厚度，且受計(jì)算機(jī)CPU與內(nèi)存限制，因此有限元分析時(shí)將分離體子蓋和框架結(jié)構(gòu)等效為二維正交各向異性殼單元。薄弱區(qū)典型結(jié)構(gòu)形式試件在拉伸試驗(yàn)時(shí)均表現(xiàn)脆性斷裂，無明顯的塑性變形。

復(fù)合材料多瓣易碎蓋的沖破分離過程是一種瞬態(tài)沖擊過程，所以可采用Abaqus/Explict進(jìn)行顯式求解。易碎蓋分離過程仿真分析的關(guān)鍵在于各薄弱區(qū)域的強(qiáng)度校核以及對失效單元的處理，利用VUMAT編寫薄弱區(qū)材料的本構(gòu)關(guān)系，考慮到薄弱區(qū)膠層結(jié)構(gòu)主要為各向同性材料，強(qiáng)度準(zhǔn)則采用Mises準(zhǔn)則，當(dāng)該材料的應(yīng)力達(dá)到各薄弱區(qū)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度時(shí)，則認(rèn)為此處的單元失效，并將失效單元直接刪除。

由于易碎蓋主體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度遠(yuǎn)大于薄弱區(qū)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，因此分析過程中重點(diǎn)考慮薄弱區(qū)的破壞情況與分離體的拋出軌跡，將各薄弱區(qū)域等效為寬度1 mm的矩形區(qū)域(局部放大圖中的天藍(lán)、黃色、藍(lán)色單元)，薄弱區(qū)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)采用共節(jié)點(diǎn)連接，復(fù)合材料多瓣易碎蓋的網(wǎng)格劃分如圖6所示。

在易碎蓋實(shí)際安裝時(shí)，將易碎蓋法蘭通過螺栓和金屬壓環(huán)固定在發(fā)射箱上，因此在有限元分析過程中在易碎蓋法蘭處施加固支約束作為邊界條件。在實(shí)際情況中，易碎蓋是在導(dǎo)彈發(fā)射時(shí)尾流產(chǎn)生的激波壓力作用下被沖破的，有限元計(jì)算時(shí)將該沖擊載荷等效為一個(gè)隨時(shí)間變化的均布?jí)毫?。該均布?jí)毫﹄S時(shí)間的變化表現(xiàn)為后鋒鋸齒波形式，峰值載荷為0.8 MPa，作用時(shí)間為4 ms，在分析中將總的計(jì)算時(shí)間設(shè)置為5 ms，增量步長時(shí)間為0.1 ms。

圖6 復(fù)合材料多瓣易碎蓋有限元模型

由相關(guān)復(fù)合材料基本力學(xué)性能試驗(yàn)可得到，易碎蓋主體材料的性能參數(shù)如表2所示，薄弱區(qū)結(jié)構(gòu)的性能參數(shù)取E=3.5 GPa，μ=0.35，各薄弱區(qū)域的強(qiáng)度參數(shù)根據(jù)所選搭接參數(shù)的不同具體設(shè)定。

表2 復(fù)合材料性能參數(shù)

4 計(jì)算結(jié)果與分析

采用Abaqus/Explict進(jìn)行計(jì)算求解，得到復(fù)合材料多瓣易碎蓋的沖破過程如圖7示。由圖7(a)可知，3.6 ms時(shí)復(fù)合材料與薄弱區(qū)域均未發(fā)生損傷，在球面與豎直邊的拐角處出現(xiàn)應(yīng)力集中。由圖7(b)可見，3.7 ms時(shí)易碎蓋開始出現(xiàn)損傷，并沿薄弱區(qū)域2和區(qū)域3進(jìn)行擴(kuò)展。由圖7(c)可發(fā)現(xiàn)， 3.8 ms時(shí)薄弱區(qū)域1、2和3的單元已被全部刪除了，即球面薄弱區(qū)已經(jīng)全部失效，且損傷已擴(kuò)展到了柱面薄弱區(qū)。由圖7(d)可見，3.9 ms時(shí)所有的薄弱區(qū)域均已發(fā)生破壞，子蓋與框架、子蓋與子蓋間都產(chǎn)生了分離，分離體分6瓣飛出。

根據(jù)以上分析可知，3.7 ms時(shí)，即壓力為0.74 MPa時(shí)，易碎蓋拐角處的薄弱區(qū)首先發(fā)生破壞，并沿薄弱區(qū)擴(kuò)展；至3.9 ms時(shí)，即壓力增加到0.78 MPa時(shí)，所有薄弱區(qū)均發(fā)生破壞，各分離體子蓋沿預(yù)定軌跡四散飛出。易碎蓋薄弱區(qū)從開始產(chǎn)生損傷，至所有薄弱區(qū)完全破壞也僅耗時(shí)0.2 ms，說明這種薄弱區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案合理，基本上保證了各薄弱區(qū)域同時(shí)發(fā)生破壞。同時(shí)，與設(shè)計(jì)沖破壓力0.8 MPa相比，仿真值為0.78 MPa，二者非常接近，驗(yàn)證了文中提出的多瓣易碎蓋薄弱區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的準(zhǔn)確性。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)文中提出的復(fù)合材料多瓣易碎蓋設(shè)計(jì)方案，采用相同的材料與成型工藝制作易碎蓋3個(gè)，利用自制的模擬發(fā)射裝置進(jìn)行沖破試驗(yàn)。試驗(yàn)裝置如圖8所示，采用螺栓和金屬壓環(huán)將易碎蓋固定在發(fā)射箱上，采用氣泵進(jìn)行加載，直至箱蓋完全破壞，通過氣壓表讀取箱內(nèi)壓力。

對3個(gè)易碎蓋進(jìn)行沖破試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，易碎蓋拐角處的薄弱區(qū)首先發(fā)生破壞，隨著箱內(nèi)壓力的增加，損傷逐漸向相鄰的薄弱區(qū)擴(kuò)展，最后分離體分6瓣飛出；雖然文中采用的是準(zhǔn)靜態(tài)加載方式，但整個(gè)易碎蓋沖破過程耗時(shí)也非常短，基本上保證了各薄弱區(qū)域的同時(shí)破壞，與仿真結(jié)果基本一致。

易碎蓋沖破試驗(yàn)結(jié)果見表3，沖破壓力具有較高的穩(wěn)定性，試驗(yàn)結(jié)果與仿真值較為接近，驗(yàn)證了文中關(guān)于易碎蓋沖破性能數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。與仿真值相比，實(shí)際的沖破壓力均偏低，平均誤差為7.9%，原因主要有：一是復(fù)合材料在成型過程中易產(chǎn)生孔洞和缺陷，使易碎蓋強(qiáng)度有所降低；二是實(shí)際的沖破工況，易碎蓋的約束方式與有限元模型有所差異，有限元存在一定程度的簡化。

編號(hào)仿真值/MPa實(shí)際沖破壓力/MPa與仿真值誤差/%1#2#3#0.780.7287.70.7138.60.7227.4

6 結(jié)論

1)研究了搭接長度和搭接厚度對薄弱區(qū)承載能力的影響規(guī)律，并基于等強(qiáng)度設(shè)計(jì)原則，提出了一種復(fù)合材料多瓣易碎蓋薄弱區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。

2)利用Abaqus/Explict對復(fù)合材料多瓣易碎蓋的分離過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明：多瓣易碎蓋從開始損傷到完全分離僅耗時(shí)0.2 ms，基本保證了各薄弱區(qū)域同時(shí)破壞。

3)采用設(shè)計(jì)的模擬發(fā)射裝置對易碎蓋進(jìn)行了沖破試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：易碎蓋沖破性能穩(wěn)定，分離體可沿預(yù)設(shè)軌跡四散飛出，試驗(yàn)結(jié)果與仿真值平均誤差7.9%，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法的可行性。