一種適用于柔性接頭擺動壽命的預(yù)估方法①

潘 娟,萬 諾,2*,郗冰潔,李 冰,屈轉(zhuǎn)利,王 才,史宏斌,效天祺

(1.西安航天動力技術(shù)研究所,西安 710025;2.固體推進(jìn)全國重點實驗室,西安 710025;3.西安航天化學(xué)動力有限公司,西安 710025;4.中國人民解放軍火箭軍裝備部駐西安地區(qū)第一軍事代表室,西安 710025;5.西交利物浦大學(xué),蘇州 215000)

0 引言

固體火箭發(fā)動機噴管柔性接頭可以通過連續(xù)全周大擺動提供偏向力,發(fā)動機推力控制系統(tǒng)的可靠性往往取決于噴管柔性接頭的擺動可靠性。柔性接頭不同振幅、頻率的擺動形式組合能起到推力控制的作用,改變發(fā)動機的飛行姿態(tài)。柔性接頭是由前后法蘭、彈性件和增強件同心交替粘接組成的一個完整部件,在實際工作中要承受來自發(fā)動機燃燒室壓強、噴管擺動時不對稱的作動力及飛行過程中的加速度等復(fù)雜載荷[1-3]。在長期貯存、檢測和工作過程中柔性接頭會因多次機械載荷作用發(fā)生疲勞失效。因此,研究柔性接頭不同擺動形式下的壽命具有重要意義。

柔性接頭擺動時彈性件會發(fā)生拉、壓、剪、拉剪、壓剪等形變,彈性件或界面間應(yīng)力集中區(qū)域易發(fā)生擺動損傷,多次擺動時損傷積累最終會導(dǎo)致柔性接頭疲勞破損。在探究柔性接頭擺動壽命時應(yīng)首先關(guān)注柔性接頭擺動損傷情況。劉勇瓊等[4]利用有限元方法研究了柔性接頭彈性件與增強件間界面上的最大拉應(yīng)力及層間剪應(yīng)力的分布情況。曹翠微等[5]通過仿真獲得了不同容壓下柔性接頭擺動時彈性件表面的應(yīng)力-應(yīng)變分布情況。安春利等[6]模擬柔性接頭的冷態(tài)擺動過程獲得彈性件表面的應(yīng)力,發(fā)現(xiàn)柔性接頭粘接面破壞的主要因素為軸向柯西主應(yīng)力過大。王春光等[7]仿真發(fā)現(xiàn)最外層彈性件的彈性比力矩最大,并發(fā)現(xiàn)低壓擺動時彈性件表面的剪應(yīng)力較大。在研究柔性擺動時,彈性件承受的較大拉應(yīng)力或剪應(yīng)力會導(dǎo)致柔性接頭彈性件擺動損傷。此外,層間剪應(yīng)力過大也會引起粘接界面破壞,這是導(dǎo)致柔性接頭擺動失效的另一原因。在探究柔性接頭擺動壽命時,主要關(guān)注彈性件受到的拉應(yīng)力、剪應(yīng)力及粘接界面的損傷情況。在柔性接頭壽命預(yù)估方面,李太安等[8]使用ANSYS nCode-DesignLife對柔性接頭彈性件進(jìn)行疲勞分析,獲得了柔性接頭的疲勞壽命及破壞時柔性接頭內(nèi)部臨界應(yīng)力、應(yīng)變等;張?zhí)烊A等[9]采用有限元模擬與橡膠疲勞實驗相結(jié)合方法,有效預(yù)測了硫化天然橡膠(NR)啞鈴型試樣的疲勞壽命;劉建勛等[10]針對汽車減震元件的橡膠部位疲勞破壞問題,通過試驗及仿真模擬實現(xiàn)橡膠產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的疲勞壽命預(yù)測。大部分學(xué)者的研究以分析橡膠構(gòu)件的力學(xué)性能或疲勞壽命為主,對金屬-橡膠層疊結(jié)構(gòu)的疲勞損傷研究較少,尚未對柔性接頭疲勞擺動壽命的預(yù)估計算。

本文基于疲勞損傷理論,探究不同應(yīng)變幅值的載荷譜對柔性接頭壽命的影響,通過仿真結(jié)果與試驗結(jié)果對比,形成柔性接頭疲勞擺動壽命預(yù)估方法。利用該方法可以快速預(yù)估柔性接頭的擺動壽命,節(jié)省試驗時間和成本,為柔性接頭工作可靠性評價提供參考。

1 疲勞壽命預(yù)估原理

柔性接頭擺動時產(chǎn)生疲勞裂紋的彈性件表面一般處于二軸平面應(yīng)力、三向應(yīng)變狀態(tài)。疲勞裂紋的發(fā)生與承受應(yīng)變、應(yīng)力的平面有關(guān),須考慮二軸平面應(yīng)力的影響。

在多軸應(yīng)變分析的疲勞理論[11]中最常采用最大主應(yīng)變準(zhǔn)則,認(rèn)為疲勞裂紋產(chǎn)生于發(fā)生最大主應(yīng)變幅的平面上。計算彈性應(yīng)變εe、塑性應(yīng)變εp、總應(yīng)變ε分別為

(1)

(2)

式中E*為循環(huán)彈性模量(等于橡膠彈性模量E);K′為循環(huán)硬化系數(shù);n′為循環(huán)硬化指數(shù)。

數(shù)學(xué)表達(dá)一般要把應(yīng)力-應(yīng)變同時放大2倍方便計算,因此應(yīng)變幅-壽命關(guān)系為

(3)

式中σf′為疲勞強化系數(shù);b為疲勞強化指數(shù);εf′為疲勞延性系數(shù);c為疲勞延性指數(shù);2Nf為載荷半循環(huán)次數(shù)。

此外,還有最大剪應(yīng)變準(zhǔn)則,該準(zhǔn)則在計算中認(rèn)為疲勞裂紋產(chǎn)生于發(fā)生最大剪應(yīng)變幅的平面上。適用于非金屬材料疲勞壽命分析,公式推導(dǎo)得到:

(4)

式中 Δγ為剪應(yīng)變。

在損傷積累過程中需應(yīng)用平均應(yīng)力修正,也基于式(4)計算出允許的半循環(huán)數(shù)2Nf。針對橡膠疲勞壽命分析有如下兩種修正方法:

(1)Smith-Watson-Topper法。平均應(yīng)力修正曲線認(rèn)為疲勞壽命與應(yīng)變幅、最大應(yīng)力的乘積有關(guān),σmax為遲滯環(huán)最大應(yīng)力。公式如下:

(5)

(2)Morrow法。平均應(yīng)力修正曲線則更為簡單,σm為遲滯環(huán)平均應(yīng)力。公式如下:

(6)

2 疲勞壽命預(yù)估方法確定

現(xiàn)代疲勞理論認(rèn)為某點的應(yīng)力-應(yīng)變歷程會引起橡膠材料疲勞破損,并以試樣裂紋達(dá)到設(shè)定評估尺寸所承受的循環(huán)載荷次數(shù)來定義疲勞壽命。疲勞壽命預(yù)估中以有限元仿真的應(yīng)力-應(yīng)變結(jié)果為基礎(chǔ),計算該應(yīng)變狀態(tài)下單次循環(huán)加載造成的損傷,對損傷積累達(dá)到預(yù)置的裂紋寬度(一般為1 mm)獲得疲勞壽命。

由于柔性接頭結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制作成本較高,例行的柔性接頭擺動壽命試驗耗時久,考慮界面損傷問題提出一種具有普適性的柔性接頭擺動壽命預(yù)估方法。FE-Safe是建立在有限元分析結(jié)果基礎(chǔ)上的專業(yè)疲勞壽命計算軟件,在金屬和非金屬領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用。通過有限元仿真獲得試樣在單個循環(huán)應(yīng)變下的應(yīng)力-應(yīng)變分布情況,將仿真結(jié)果.odb文件導(dǎo)入FE-Safe/Rubber中,輸入本構(gòu)模型參數(shù)、S-N曲線,選擇合適的疲勞算法和修正公式,按歷程積累多次循環(huán)載荷下的損傷,得到試樣的壽命預(yù)估結(jié)果。

2.1 柔性接頭擺動壽命表征試樣的選取

根據(jù)國內(nèi)外對柔性接頭表征試樣的分析,本文在研究柔性接頭彈性件擺動損傷時,彈性件承受拉應(yīng)力采用啞鈴試樣表征,彈性件承受剪應(yīng)力及橡膠-鋼界面損傷情況采用四重片試樣表征。

啞鈴試樣(Q/Gb 177—2003)如圖1所示。柔性接頭擺動時,彈性件發(fā)生剪切大變形,處于雙向應(yīng)力狀態(tài)。利用平面應(yīng)力狀態(tài)研究法,根據(jù)柔性接頭工作時的擺動角度,獲得應(yīng)力最大點的各應(yīng)力狀態(tài)可以計算出該點的正應(yīng)力。在進(jìn)行啞鈴試樣仿真時,以承受拉應(yīng)力代替正應(yīng)力,從而獲得彈性件的預(yù)估壽命。

圖1 啞鈴試樣(單位:mm)Fig.1 Dumb-bell specimen(Units:mm)

由于柔性接頭為彈性件-增強件疊加結(jié)構(gòu)粘接界面多,接頭擺動時的界面損傷情況會影響其壽命。層間剪應(yīng)力是導(dǎo)致界面損傷的主要因素,選用四重片試樣(Q/Gb 58.1—1987)如圖2所示,進(jìn)行橡膠剪切形變仿真,獲得橡膠受剪后的應(yīng)力-應(yīng)變情況,并分析界面損傷對試樣疲勞壽命的影響。

圖2 四重片試樣(單位:mm)Fig.2 Four-piece specimen(Units:mm)

2.2 試樣仿真參數(shù)設(shè)定

柔性接頭一般在擺動時橡膠材料的剪切變形量100%～300%,考慮極端情況剪應(yīng)變可達(dá)600%。采用該天然橡膠開展應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系試驗[13-14],獲得數(shù)據(jù)及擬合情況如圖3所示?？紤]模型擬合情況及計算收斂性,選用Yeoh本構(gòu)模型描述彈性件的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。Yeoh模型參數(shù)及其他有限元仿真設(shè)定情況見表1。

圖3 天然橡膠剪切應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系Fig.3 Shear stress-strain curves of rubber

表1 有限元仿真參數(shù)設(shè)定Table 1 Main parameters of FEM

研究疲勞問題的S-N曲線方法(S為施加的應(yīng)變幅值,一般以正弦波的循環(huán)應(yīng)力或交變應(yīng)力為主;N為斷裂時的疲勞周數(shù))簡述如下:試驗通常在一定頻率、恒定振幅和一定的最小與最大載荷比R下進(jìn)行,以獲得斷裂時的疲勞循環(huán)總周數(shù)。

本試驗中,四重片結(jié)構(gòu)中間鋼層為受力點,根據(jù)不同拉伸量獲得不同應(yīng)變,其中L0為鋼層的初始預(yù)設(shè)拉伸量,L為最大拉伸量。試驗采用Zwick疲勞試驗機,可加載50 Hz頻率以內(nèi)應(yīng)變,對四重片試件進(jìn)行預(yù)設(shè)應(yīng)變后恒頻率拉伸。采用四重片試樣進(jìn)行100%～400%應(yīng)變條件下的循環(huán)拉伸,記錄斷裂次數(shù)如表2所示。

表2 天然橡膠的S-N曲線試驗數(shù)據(jù)Table 2 S-N curve experimental results of rubber

試驗獲得的Nf為斷裂壽命的1/2,根據(jù)平均應(yīng)力修正法在后期計算中FE-Safe輸入的N即為Nf的2倍。在軟件中繪制出天然橡膠的S-N曲線(如圖4所示),其方程擬合形式采用適合非金屬疲勞壽命的三參數(shù)經(jīng)驗公式[15]:

圖4 S-N曲線Fig.4 S-N curves

N(S-S0)m=D

(7)

式中S0近似為疲勞極限;m、D為試驗常數(shù)。

根據(jù)表2獲得實驗數(shù)據(jù)擬合冪函數(shù)曲線,得到試驗常數(shù)m=0.697 8,D=7563。適應(yīng)于天然橡膠材料的疲勞壽命預(yù)估的S-N曲線三參數(shù)公式為

N(S-S0)0.6978=7563

(8)

S-N曲線獲得的方程和相關(guān)參數(shù)表征了材料的疲勞性能,在后續(xù)仿真計算中作為特性參數(shù)輸入可以預(yù)估不同應(yīng)力、應(yīng)變條件下試件的疲勞壽命。

橡膠材料的本構(gòu)模型參數(shù)和S-N曲線共同組成了適合本文計算模型的橡膠材料數(shù)據(jù)包,試件仿真疲勞壽命預(yù)估均采用該數(shù)據(jù)。在壽命預(yù)估時,試樣三維模型的分析實體Subgroup設(shè)定為Whole,表示對所有單元整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析計算。

由于啞鈴試樣主要承受循環(huán)拉伸載荷,參考文獻(xiàn)[11]中天然橡膠材料受拉的應(yīng)變-疲勞壽命S-N曲線,預(yù)估時選擇Principal Strain最大主應(yīng)變法求解,采用簡單的Morrow法進(jìn)行平均應(yīng)力修正,殘余應(yīng)力均為0。由于四重片橡膠試樣的橡膠片主要受剪應(yīng)力,采用雙軸應(yīng)變疲勞最大剪應(yīng)變法(Max Shear Strain-Morrow)求解,鋼材料結(jié)構(gòu)單元選擇Principal Strain-Morrow。試樣表面精度對壽命也存在影響,Rubber單元的表面精度設(shè)定為0.25 μm

2.3 試樣疲勞壽命預(yù)估工況的選取

在柔性接頭疲勞壽命預(yù)估時,擺動不同角度彈性件單元會發(fā)生不同程度形變,產(chǎn)生不同的主應(yīng)變和剪應(yīng)變。以柔性接頭擺動1.5°、3.0°、4.5°、5.0°為工作條件,通過有限元仿真獲得靠近前法蘭彈性件的主應(yīng)變ε11。彈性件層間徑向剪應(yīng)變過大是導(dǎo)致界面脫粘的主要原因,仿真獲得不同擺角下徑向向剪應(yīng)變γ12。獲取不同擺角下彈性件的最大主應(yīng)變、剪應(yīng)變見表3,分別取近似值作為啞鈴試樣、四重片試樣疲勞壽命預(yù)估的應(yīng)變加載條件。

表3 彈性件最大主應(yīng)變ε11,max、最大剪應(yīng)變γ12,maxTable 3 ε11,max and γ12,max of rubber sheet

2.4 啞鈴試樣疲勞壽命的預(yù)估

分析某噴管柔性接頭擺動1.5°～5°應(yīng)變情況,按最大主應(yīng)變對啞鈴試樣施加拉應(yīng)變,啞鈴試樣載荷以先拉伸再恢復(fù)形變?yōu)橐粋€循環(huán)進(jìn)行有限元仿真,獲得不同時刻的應(yīng)力-應(yīng)變情況。仿真得到壽命預(yù)估結(jié)果如表4所示,前3組由于應(yīng)變小擺動107以上橡膠件仍不會出現(xiàn)裂紋,認(rèn)為該條件下達(dá)到了無限壽命。

表4 啞鈴試樣疲勞壽命預(yù)估結(jié)果Table 4 Life calculation result of dumb-bell specimen

對啞鈴試件應(yīng)變?yōu)?0%進(jìn)行分析,該條件下的壽命預(yù)估云圖如圖5所示,在云圖中預(yù)估壽命是以10的指數(shù)形式表示,發(fā)現(xiàn)最易發(fā)生疲勞失效部位為中間細(xì)長結(jié)構(gòu)與擴張部分相連處。

圖5 啞鈴試樣壽命預(yù)估云圖Fig.5 Life expectancy contour of dumb-bell specimen

2.5 四重片橡膠試樣疲勞壽命預(yù)估

本節(jié)采用四重片試樣表征界面性能,預(yù)估試樣在不同剪切應(yīng)變下的壽命。柔性接頭擺動1.5°～5°時,選取對應(yīng)的剪切應(yīng)變近似值為150%、300%進(jìn)行仿真,為提高安全裕度增加450%、500%、600%應(yīng)變的疲勞壽命預(yù)估。建立如圖2四重片試樣模型,按2.2節(jié)設(shè)定參數(shù),在中間鋼結(jié)構(gòu)施加循環(huán)載荷,膠層界面采用接觸面損傷模型計算[16-17],獲得一個加載循環(huán)下試樣的應(yīng)力-應(yīng)變及損傷結(jié)果。

由于四重片試件在承受循環(huán)剪應(yīng)力時上下左右橡膠片受力情況一致,取單片橡膠為研究對象,在不同應(yīng)變條件下,四重片試樣橡膠片與鋼結(jié)構(gòu)間的接觸面的損傷情況如圖6所示。接觸面的損傷程度用CSDMG表示,CSDMG損傷參數(shù)為0表示界面無損傷,1表示界面完全脫粘。由圖6能看出,橡膠片邊緣處為膠層損傷裂紋萌生位置,150%應(yīng)變下膠層幾乎無損傷,300%應(yīng)變條件下,膠層的最大損傷參數(shù)不到0.5。450%和500%應(yīng)變條件下,膠層的損傷參數(shù)達(dá)到0.6以上。600%應(yīng)變條件下局部損傷參數(shù)達(dá)到1,一次循環(huán)加載就能導(dǎo)致局部膠層破損。隨著應(yīng)變的增大,膠層的損傷單元數(shù)增加,損傷面積擴大,且最容易發(fā)生膠層脫粘的位置相同。

(a)Strain 150% (b)Strain 300%

(c)Strain 450% (d)Strain 500% (e)Strain 600%圖6 四重片試樣損傷情況Fig.6 Interface damage of four-piece specimens

獲得150%～500%不同應(yīng)變下的疲勞預(yù)估如表5所示。600%應(yīng)變過大,單次循環(huán)加載下膠層產(chǎn)生損傷,無壽命預(yù)估結(jié)果。對比表5不同剪切應(yīng)變下的預(yù)估壽命結(jié)果發(fā)現(xiàn),剪切應(yīng)變越大,獲得的四重片試樣預(yù)估壽命結(jié)果越小。

表5 四重片試樣壽命預(yù)估結(jié)果Table 5 Life calculation result of four-piece specimen

四重片試樣加載應(yīng)變300%、450%時,可視化壽命結(jié)果云圖如圖7所示。發(fā)現(xiàn)貼近中間層鋼結(jié)構(gòu)的界面最易發(fā)生破壞,該處能承受循環(huán)加載次數(shù)最小。

(a)Strain 300% (b)Strain 450%圖7 四重片試樣壽命預(yù)估云圖Fig.7 Life expectancy contours of four-piece specimens

2.6 仿真結(jié)果分析及試樣篩選

對比啞鈴試樣與四重片試樣在相同擺角下的仿真壽命預(yù)估結(jié)果,發(fā)現(xiàn)四重片試樣的預(yù)估壽命明顯低于啞鈴形試樣。相同擺角下彈性件層間剪切應(yīng)變導(dǎo)致的界面損傷對柔性接頭疲勞壽命影響更大。因此,對柔性接頭的壽命預(yù)估研究應(yīng)以四重片試樣進(jìn)行表征。柔性接頭擺動試驗時,疲勞破損一般發(fā)生于全周期大擺角擺動情況下,分解運動后近似為橡膠剪切變形,四重片試樣應(yīng)用于疲勞試驗更符合柔性接頭擺動的試驗形式。

3 四重片試樣剪切疲勞試驗

3.1 疲勞試驗方法

剪切疲勞試驗采用四重片結(jié)構(gòu),形狀及尺寸如圖2所示,中間層鋼結(jié)構(gòu)兩端圓孔為試驗機夾持器加載位置。在試驗中,取形變量與橡膠厚度比值作為剪切應(yīng)變量ε的近似值:

式中 Δl為線性位移;h為橡膠結(jié)構(gòu)厚度。

試驗采用Zwick疲勞試驗機(如圖8所示),可通過自主編程設(shè)定加載應(yīng)變大小、調(diào)節(jié)加載頻率、改變加載波形等。通過編程加載模擬柔性接頭工作時橡膠件形變狀態(tài),以獲得更加符合實際工況的柔性接頭疲勞擺動壽命。

圖8 疲勞試驗機Fig.8 Fatigue tester

3.2 疲勞試驗步驟

剪切疲勞試驗加載時為一端固定,一端夾持器拉著試樣中間層圓孔處進(jìn)行往復(fù)運動。如加載300%應(yīng)變時,夾持器一端固定,一端軸向位移24 mm,按原行程卸載至0,按加載-卸載為一循環(huán),以此往復(fù)循環(huán)加載至橡膠材料發(fā)生疲勞破損,如圖9所示。試驗過程中要求平穩(wěn)加載,夾持器按0.01 Hz勻速線性移動。在試驗中記錄橡膠破損時的循環(huán)加載次數(shù),繼續(xù)加載直至橡膠結(jié)構(gòu)撕裂終止試驗,描述試樣損壞過程。

圖9 試件夾裝情況Fig.9 Installing state of the test piece

3.3 疲勞試驗結(jié)果

在四重片剪切疲勞試驗的4組試樣具體加載要求及獲得的疲勞循環(huán)次數(shù)見表6。試驗結(jié)果以1000組循環(huán)拉伸分組進(jìn)行拉伸結(jié)果描述,記錄開始出現(xiàn)破損和橡膠完全撕裂的循環(huán)次數(shù)。試驗完成后,4組四重片試樣橡膠結(jié)構(gòu)的撕裂狀態(tài)如圖10所示。

表6 試驗條件及結(jié)果Table 6 Test conditions and results

(a)Strain 300% (b)Strain 450% (c)Strain 500% (d)Strain 600%圖10 橡膠破損情況Fig.10 Pictures of damaged rubber

對比分析4組四重片剪切疲勞壽命試驗結(jié)果,隨著應(yīng)變增加,橡膠結(jié)構(gòu)的剪切疲勞壽命逐漸減小,但開始出現(xiàn)破損的位置幾乎相同。300%應(yīng)變條件下橡膠仍能在加低頻載荷下保證千次以上循環(huán)加載才開始出現(xiàn)裂紋。至2356次循環(huán)橡膠完全撕裂。在柔性接頭實際工作中,只有彈性件出現(xiàn)貫穿性裂紋,導(dǎo)致柔性接頭漏氣才會失效,故而根據(jù)試驗結(jié)果300%應(yīng)變情況下認(rèn)為柔性接頭能全周期大擺動安全工作2000次以上。第二組試驗進(jìn)行450%應(yīng)變循環(huán)時,892次循環(huán)橡膠開始破損,1428次橡膠撕裂。500%應(yīng)變條件下試驗橡膠仍能正常工作476次,600%應(yīng)變條件下由于應(yīng)變過大,彈性件只能正常工作9個循環(huán)。

根據(jù)表6試驗結(jié)果可以認(rèn)為,300%應(yīng)變條件下的柔性接頭擺動壽命符合設(shè)計要求。當(dāng)偶爾發(fā)生更大擺角擺動橡膠剪切應(yīng)變達(dá)到500%時仍能安全工作476次,不會導(dǎo)致任務(wù)失敗。當(dāng)應(yīng)變達(dá)到600%時,柔性接頭很容易發(fā)生撕裂破損漏氣,柔性接頭為發(fā)動機俯仰偏航提供側(cè)向力時擺動一定要處于彈性件600%剪切形變狀態(tài)以內(nèi)。

3.4 四重片剪切疲勞仿真與試驗結(jié)果分析

仿真得到的壽命預(yù)估結(jié)果與試驗中是裂紋剛剛萌生狀態(tài)相對應(yīng),所以四重片剪切試驗測試結(jié)果中300%、450%應(yīng)變條件下開始出現(xiàn)破損的循環(huán)次數(shù)與四重片試樣仿真預(yù)估壽命對比如表7所示,分別為根據(jù)S-N曲線預(yù)估壽命、使用有限元計算方法獲得的預(yù)估壽命以及疲勞試驗結(jié)果。

表7 壽命預(yù)估結(jié)果與試驗結(jié)果對比Table 7 Comparison of life predictions with test results

對比S-N曲線預(yù)估結(jié)果與試驗結(jié)果情況,S-N曲線預(yù)估循環(huán)壽命大于試驗結(jié)果,這是因為S-N曲線僅考慮材料的疲勞性能,忽略材料受力形式、界面損傷等影響獲得的預(yù)估壽命,這種預(yù)示方法簡單,結(jié)果相差較大。

通過仿真與試驗結(jié)果的情況對比,可以確定對于四重片結(jié)構(gòu)橡膠壽命預(yù)估的結(jié)果誤差在13%以內(nèi),誤差較小,認(rèn)為該壽命預(yù)估方法是可行的,且仿真結(jié)果可作為疲勞擺動測試的參考。

在仿真過程中,由于模型結(jié)構(gòu)和材料參數(shù)能自主設(shè)定,復(fù)雜結(jié)構(gòu)可以通過該仿真方法獲得預(yù)估壽命,會節(jié)省試驗時間,節(jié)約試驗成本。在柔性接頭擺動壽命研究時,可采用該方法進(jìn)行壽命預(yù)估,為柔性接頭擺動測試提供參考,從而指導(dǎo)柔性接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計。

4 結(jié)論

本文通過分析固體火箭發(fā)動機噴管柔性接頭擺動情況,對柔性接頭彈性件和粘接界面的表征件開展疲勞擺動仿真計算、剪切疲勞試驗,完成擺動壽命預(yù)估研究,得到如下結(jié)論:

(1)根據(jù)天然橡膠預(yù)置應(yīng)變疲勞循環(huán)試驗得到了材料的S-N曲線,根據(jù)三參數(shù)公式獲得不考慮受力形式、界面損傷的預(yù)估壽命。

(2)根據(jù)柔性接頭擺動時受載荷情況,對啞鈴結(jié)構(gòu)和四重片結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行壽命預(yù)估仿真,發(fā)現(xiàn)應(yīng)變越大,界面損傷程度越大,試樣可以承受的循環(huán)載荷次數(shù)越少。通過兩種試樣壽命預(yù)估結(jié)果對比,選取四重片結(jié)構(gòu)作為柔性接頭的擺動疲勞特性研究的表征試樣。

(3)采用四重片試樣進(jìn)行0.01 Hz下300%～600%剪切應(yīng)變疲勞壽命試驗,發(fā)現(xiàn)試驗壽命結(jié)果與預(yù)估壽命結(jié)果誤差在13%以內(nèi),從而驗證了本文提出的壽命預(yù)估方法的正確性。

(4)通過對四重片試樣疲勞壽命的研究,形成了適用于柔性接頭繞擺心周期擺動壽命預(yù)估的研究方法,可為擺動測試提供參考。