張曉艷，王景鶴，成曉陽，范召東

（北京航空材料研究院，北京100095）

環(huán)氧泡沫塑料易碎保護蓋結構設計及實驗驗證

張曉艷，王景鶴，成曉陽，范召東

（北京航空材料研究院，北京100095）

設計了一種以環(huán)氧泡沫塑料為基本材料的新型易碎保護蓋結構，并采用有限元模擬方法分析易碎保護蓋在給定沖蓋爆破壓力下的應力分布。采用應變方法測試分析了易碎保護蓋在安全載荷下的應變分布特點以及蓋體結構邊緣彈翼滑過區(qū)域的破壞方式，確定了兩種蓋體結構，制備出實物樣件并進行了靜壓沖蓋和燃氣動壓沖蓋實驗。結果表明：內表面沿經緯向和邊緣特定分布的弱化槽結構，利于整體環(huán)氧泡沫塑料蓋體在臨界壓力下的均勻破碎和齊根斷；蓋體弱化槽結構設計合理，設計分析方法準確，所建立的方法和研究結果為易碎保護蓋的設計應用提供了依據。

環(huán)氧泡沫塑料；易碎保護蓋；弱化槽；沖蓋實驗

易碎保護蓋是發(fā)射筒的組成部件之一，導彈發(fā)射時，易碎保護蓋脹破，蓋體邊緣彈翼劃過區(qū)域的殘余物不應損傷導彈構件，碎塊應質量小，分離性好。易碎保護蓋主要由非金屬材料組合而成，周邊通過金屬法蘭與發(fā)射筒連接。易碎保護蓋通常選用硬脆性材料，結構上進行局部弱化設計提供應力集中，有利于蓋體邊緣沿彈翼劃過區(qū)域斷裂（謂之齊根斷）和碎塊較小。早期易碎保護蓋采用聚氨酯泡沫塑料結構，后期演變?yōu)橄鹉z板／纖維增強樹脂層壓板復合結構，通過預埋裂紋源，保證齊根斷和碎塊較?。灰姿楸Ｗo蓋也采用過整體環(huán)氧泡沫塑料結構，蓋體內表面布設若干徑緯向和邊緣的弱化槽，有利于均勻破碎和齊根斷［1－4］。與復合材料結構蓋體相比，整體環(huán)氧泡沫塑料保護蓋結構可設計性好、成型工藝簡便、產品質量一致性較好。

文獻［5，6］報道，環(huán)氧泡沫塑料多為閉孔致密結構，具有質輕、結構均勻、強度高等特點，可以用于成型大型結構件，1964年美國殼牌公司首先研制成功，俄羅斯曾于20世紀60年代末將其用于飛機結構件（夾層板結構）。北京航空材料研究院系統(tǒng)地研究了環(huán)氧泡沫塑料的配方、工藝、性能及其大尺寸發(fā)泡制件的制備技術，建立了較為完備的材料標準和工藝文件［7，8］。

本工作以北京航空材料研究院（簡稱航材院）研制的環(huán)氧泡沫塑料為易碎保護蓋基本材料，采用有限元模擬、無損應變測試等方法，分別分析了蓋體結構在沖蓋爆破載荷，安全載荷下的應力、應變分布，確定了帶有徑緯槽、邊緣槽等弱化槽的蓋體結構，進行了靜壓和燃氣動壓沖蓋實驗驗證。

1 實驗

1.1 原材料

雙酚A環(huán)氧樹脂（無錫樹脂廠）；芳香多元胺（上海試劑三廠）；酰肼發(fā)泡劑（市售）；OP表面活性劑（市售）；XM密封劑（航材院）。

1.2 實驗儀器和設備

SZF－20反應釜，烘箱，磅秤，電子天平，三輥煉膠機，注膠槍，電鉆及鉆頭。

1.3 模具及工裝

大型球冠形鋁質模具；金屬法蘭及壓環(huán)。

1.4 蓋體制備及裝配

將環(huán)氧樹脂、固化劑、發(fā)泡劑以及其他助劑加入到反應釜中，在一定程序溫度下進行預聚反應，注入到成型模具中進行固化發(fā)泡，制備環(huán)氧泡沫塑料蓋體。將蓋體和金屬法蘭配合打孔，用螺釘和螺柱連接并鎖緊固定，蓋體和金屬法蘭內外表面涂敷密封劑，室溫硫化或在70℃下處理8h。

1.5 有限元分析和無損應變測試

根據材料基本性能、工況條件及設計的幾何信息，建立蓋體結構模型，對蓋體結構在沖蓋爆破應力0.146MPa下的應力分布進行分析；在蓋體結構外表面的近溝槽區(qū)域、非溝槽區(qū)域選擇測試點，分別粘貼應變片，每個點包括90，45°和0°三個方向，設定安全加載應力為0.03MPa，測定各點的應變水平。

1.6 易碎前沖蓋實驗

進行易碎保護蓋的靜壓沖蓋實驗和燃氣動壓沖蓋實驗，驗證其齊根斷和碎塊均勻性。

2 結果與討論

2.1 有限元應力分析

按等厚度（35mm）建立蓋體結構模型，并進行弱化槽設計，如圖1所示。

經緯槽深度X選擇4，12，14，16，18mm，邊緣槽深度Y選擇14，18，20，25，30mm，施加載荷條件進行FEM應力分析，經緯槽、邊緣槽深度與槽所受平均應力的關系如圖2所示，典型槽深下的應力分布云圖如圖3所示。

由圖2，3分析可知：①在極限應力為0.146MPa，無弱化槽和弱化槽深度較小時，在爆炸壓力作用下，保護蓋根部應力明顯大于其他部位，此時無法滿足均勻破碎的設計技術要求。②隨著經緯槽X值的增加，易碎蓋開槽部位所受應力水平提高，有利于滿足均勻破碎的設計要求；當X值從4mm增加到14mm時，經緯槽所受應力變化較為平緩，且小于材料的強度極限，X值從14mm增加到16mm時，經緯槽所受應力變化較大，當X值大于16mm時，經緯槽所受應力大于材料的強度極限。③隨著邊緣槽深度Y值的增加，易碎蓋在爆破應力作用下，該部位所受應力增加，有利于實現齊根斷的設計要求。④在其他條件不變的情況下，通過在保護蓋周邊部位設置一圈深度為5mm的弱化槽后，保護蓋的應力分布更加趨于合理。

圖3 典型槽深下的應力分布云圖 （a）經緯槽深4mm；（b）經緯槽深1mm；（c）邊緣槽深18mm；（d）增加周邊槽5mmFig.3 The typical depth of the groove corresponding stress distribution nephogram（a）latitude and longitude groove depth 4mm；（b）latitude and longitude groove depth 1mm；（c）edge slot depth 18mm；（d）increased peripheral slot 5mm

2.2 無損應變測試與分析

采用無損檢測方法對蓋體結構在安全載荷（0.03MPa）作用下的應變分布狀態(tài)進行分析。蓋體表面測試點分布以及各點應變水平與徑向半徑關系曲線如圖4所示。

分析結果顯示，主應變ε1由蓋體中心向邊緣呈遞增趨勢，靠近經緯槽交叉點處的ε1比遠離交叉點的大，這與有限元分析的結果一致。主應變ε2沿徑向呈先增后減的趨勢，在邊緣出現負值，但經計算，此處的應力仍為拉應力。這表明邊緣溝槽處外表面為拉應力，如果此處存在缺口、缺陷，造成應力集中，應該首先從此處破壞。

2.3 蓋體結構邊緣彈翼劃過區(qū)域（法蘭邊緣）的破壞形式分析

隨機抽取蓋體樣件，加工拉伸試樣和沖擊試樣，并測試其相應性能。表1為蓋體環(huán)氧泡沫塑料的拉伸性能和沖擊性能。

拉伸試樣斷口垂直于拉伸應力方向，呈現一定的脆性斷裂斷口形貌，其應力－應變曲線類似于硬脆材料的應力－應變曲線；其δ為1%左右，ak為2kJ·m－2左右。工程上通常將δ＜5%，ak＜2kJ·m－2的材料稱為脆性材料，δ＞5%，ak＞2kJ·m－2的材料稱為韌性材料［9］。蓋體環(huán)氧泡沫塑料具有近似脆性材料的性能特點，是一種介于韌脆過渡區(qū)的材料。對于高聚物材料，脆性和韌性表現還極大地依賴于測試速率（應變速率），在恒定溫度條件下，斷裂表現可由低應變速率下接近韌性斷裂形式轉變?yōu)楦邞兯俾氏碌拇嘈詳嗔研问剑?］。在沖蓋實驗中，靜壓破碎實驗可以認為是一種低應變速率實驗，隨著升壓速率的降低，蓋體破壞方式傾向于部分韌性斷裂；燃氣動壓沖破實驗是一種高應變速率實驗，蓋體破壞方式更接近于脆性斷裂。

圖5為蓋體邊緣彈翼劃過區(qū)域的典型剖面結構，A點為壓環(huán)內徑下沿與蓋體邊緣外表面接觸點，B點為邊緣槽深頂點，C點為法蘭內徑上沿與蓋體邊緣內表面接觸點，D點為AB連線與蓋體內表面交點，X，Y為邊緣槽深度。

圖4 蓋體表面測試點分布（a）以及各點應變水平與徑向半徑關系（b）Fig.4 Test point distribution on body surface（a）and relationship between each point’s strain and radius（b）

表1 蓋體環(huán)氧泡沫塑料的拉伸性能和沖擊性能Table 1 The tensile and impact properties of body materials

圖5 蓋體邊緣彈翼劃過區(qū)域的典型剖面結構Fig.5 The typical body structure surrounding the wing slip area

通過有限元應力分析和無損應變測試分析可知，在爆破應力作用下，A點為拉應力，C點為壓應力。A點有利于產生應力集中，根據脆性材料斷裂特點，在沒有其他缺口和缺陷的條件下，裂紋通常應從A點產生，沿蓋體徑向方向AD擴展至D點斷裂，而不是沿C點斷裂。制件厚度不同（30～60mm），斷裂方向角（即斷裂方向與蓋體垂直軸向的夾角）基本在40～45°之間。經對無弱化槽或弱化槽很淺的蓋體樣件進行宏觀斷口分析，蓋體邊緣斷裂情況與之基本相符。為滿足沿C點斷裂的設計要求，只有在AD方向上存在一個伸向C點的斷裂擴展面才能改變原來的裂紋擴展方向。在蓋體C點處垂直法蘭邊緣開一溝槽，溝槽深度Y要接近與AD面相交（經計算Y約為18～22mm），有利于實現裂紋沿BC擴展，并在C點斷裂。

2.4 蓋體結構設計和沖蓋實驗驗證

根據上述分析結果，設計了兩種結構形式的蓋體，方案 一：等厚度結構（圖6（a）），經緯槽φ8mm×18mm，邊緣槽φ8mm×18mm，周邊弱化槽φ8mm×5mm；方案二：局部變厚度結構（圖6（b）），經緯槽8mm×（8～18）mm，中部采用多邊形凹槽，邊緣槽（4～10）mm×（18～21）mm；制備了兩種結構的實物樣件。進行了靜壓和燃氣動壓沖蓋實驗。

圖6 蓋體結構設計示意圖 （a）等厚度結構；（b）局部變厚度結構Fig.6 The design of the body structure diagram （a）uniform thickness；（b）part nonuniform thickness

兩種結構的蓋體靜壓爆破應力均為0.14～0.17MPa，滿足性能要求；靜壓、燃氣動壓沖蓋實驗后，蓋體邊緣彈翼滑過處沒有殘余物，齊根斷情況良好（圖7）；燃氣動壓沖蓋實驗后，蓋體碎塊較小，質量分布如表2所示。經過沖蓋實驗驗證，結果表明蓋體結構設計合理，性能滿足要求。

圖7 沖蓋實驗后易碎蓋破碎狀態(tài) （a）方案一，靜壓沖蓋；（b）方案二，靜壓沖蓋；（c）方案二，動壓沖蓋Fig.7 The broken state of the fragile cover body after pressure blunt cover test（a）the first scheme，static pressure blunt cover；（b）the second scheme，static pressure blunt cover；（c）the second scheme，gas dynamic pressure blunt cover

表2 燃氣動壓沖蓋后蓋體碎塊質量分布（g）Table 2 Mass distribution of body pieces after gas dynamic pressure blunt cover（g）

3 結論

（1）有限元模擬應力分析和無損應變測試分析結果表明，在給定沖蓋爆破壓力下，蓋體結構邊緣外表面為拉應力，內表面為壓應力，內表面沿徑緯向和邊緣特定分布的弱化槽結構利于蓋體結構在臨界壓力下實現均勻破碎和齊根斷。

（2）基于材料特性對蓋體邊緣彈翼滑過區(qū)域的破壞方式的研究，為邊緣弱化槽的詳細設計提供了依據。

（3）通過靜壓沖蓋、燃氣動壓沖蓋實驗驗證，蓋體弱化槽結構設計合理，設計分析方法準確，所建立的方法和研究結果為易碎保護蓋的設計應用提供了依據。

［1］ FORIS VICTOR G，MARINA DEL REY，TAKESHI TOKIYAMA，et al.Protective missile launch tube enclosure［P］.USA Patent：6311604，2001－11－06.

［2］ DOANE WILLIAM J，DIEGO SAN.Frangible fly through diaphragm for missile launch canister［P］.USA Patent：4498368，1985－02－12.

［3］ MUSSEY RICHARD A.Launch tube closure［P］.USA Patent：4301708，1981－11－24.

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［5］ 區(qū)英鴻.塑料手冊［M］.北京：兵器工業(yè)出版社，1991.1145－1150.

［6］ 錢志屏.泡沫塑料［M］.北京：中國石化出版社，1998.274－288.

［7］ 王景鶴，熊金水，張曉艷，等.硬質環(huán)氧泡沫塑料的工藝研究［J］.材料工程，1996，（增刊）：197－199.

［8］ 張曉艷.一種中密度硬質環(huán)氧泡沫塑料的制備及其性能研究［A］.第十三屆全國復合材料學術會議論文集［C］.北京：航空工業(yè)出版社，2004.1177－1184.

［9］ 中國科學技術大學高分子物理教研室.高聚物的結構與性能［M］.北京：科學出版社，1981.265－272.

Structure Design and Verification Test for Fragile Protection Closure Made from Epoxy－foam Plastics

ZHANG Xiao－yan，WANG Jing－h(huán)e，CHENG Xiao－yang，FAN Zhao－dong
（Beijing Institute of Aeronautical Materials，Beijing 100095，China）

The stress distribution of the fragile protection cover made from epoxy－foam plastics was analyzed under the given blast load by the method of the finite element simulation.And the strain distribution was tested under the safe load.So the two drafts of the structure were designed based on the results of the research on the destroy forms of the wing slip area of cover structure which was carried out according to the properties of the base material.The explosion experiments besides the static pressure and gas dynamic pressure were executed to the specimens.The results showed that the weakening groove laid along the structure in vertical，horizontal and edge lines contributed to root fracture and uniform segments at the critical pressure，and that the structure design was reasonable and the analysis method was accurate，which were proved to be the basis for the application of fragile protection cover.

epoxy－foam plastics；fragile protection cover；weakening groove；blunt cover experiment

TQ323.5

A

1001－4381（2012）08－0005－05

2012－01－06；

2012－06－15

張曉艷（1972－），女，碩士，高級工程師，從事環(huán)氧樹脂改性，輕質高強環(huán)氧泡沫塑料、室溫固化有機硅熱防護涂層研究，聯(lián)系地址：北京市81信箱7分箱（100095），E－mail：xiaoyan.zhang＠biam.ac.cn