韓學(xué)群 劉 芹 李 耿 鄭 偉

(西安航天動力技術(shù)研究所,西安 710025)

針刺C/C圓筒構(gòu)件內(nèi)/外壓試驗與仿真研究

韓學(xué)群 劉 芹 李 耿 鄭 偉

(西安航天動力技術(shù)研究所,西安 710025)

文 摘 根據(jù)某擴張段采用的針刺C/C復(fù)合材料制備圓筒構(gòu)件試驗件，設(shè)計外壓和內(nèi)壓試驗工裝，對其開展內(nèi)外壓試驗研究，總結(jié)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布規(guī)律，并與有限元仿真結(jié)果進(jìn)行對比，仿真結(jié)果與試驗結(jié)果一致性較好，獲得了準(zhǔn)確高精度3D圓筒構(gòu)件水壓仿真計算模型。試驗及仿真結(jié)果對于改進(jìn)固體火箭發(fā)動機針刺C/C復(fù)合材料噴管擴張段結(jié)構(gòu)設(shè)計，修正材料本構(gòu)模型參數(shù)，預(yù)估結(jié)構(gòu)安全裕度有著重要的參考價值。

針刺C/C復(fù)合材料,圓筒構(gòu)件,內(nèi)壓,外壓,水壓試驗

0 引言

C/C擴張段結(jié)構(gòu)是高性能固體火箭發(fā)動機噴管重要組成部件[1]，其在工作過程中不僅要承受高溫、高速氣流沖刷工況，還要承受一定的內(nèi)腔壓力。對于高空噴管擴張段，除以上工況外，其在地面試車過程中由于氣流分離還會使得結(jié)構(gòu)靠近出口的內(nèi)腔呈負(fù)壓狀態(tài)[2-3]，即結(jié)構(gòu)會承受一定的局部外壓工況，故熱試車狀態(tài)的擴張段結(jié)構(gòu)承載內(nèi)外壓工況非常復(fù)雜。在研制過程中，需要對結(jié)構(gòu)承載內(nèi)/外壓能力進(jìn)行單項試驗考核。在固體火箭發(fā)動機領(lǐng)域，針刺C/C復(fù)合材料由于其密度小、強度高、耐燒蝕等優(yōu)異性能，被應(yīng)用于固體火箭發(fā)動機高空噴管擴張段部件以大幅減輕發(fā)動機的消極質(zhì)量，已成為先進(jìn)戰(zhàn)略導(dǎo)彈獲得高性能、高可靠性、高沖質(zhì)比噴管的技術(shù)保證和重要依托[4-5]。但對于針刺C/C復(fù)合材料擴張段結(jié)構(gòu)的承壓能力的考核目前尚有難度，一是針刺C/C復(fù)合材料擴張段具有薄壁、密度漸變特點，對該類材料的力學(xué)性能尤其是構(gòu)件整體性能表征較為困難[6]；二是擴張段結(jié)構(gòu)為異型截錐殼體結(jié)構(gòu)，其加載難度大且破壞位置不唯一，對試驗工裝要求極高。因此工程上不適合采用截錐構(gòu)件進(jìn)行針刺C/C擴張段材料擴張段結(jié)構(gòu)整體承壓能力驗證考核。圓筒結(jié)構(gòu)是截錐結(jié)構(gòu)的變形體，與截錐構(gòu)件相比，其結(jié)構(gòu)規(guī)則，加載難度降低，同時與截錐體構(gòu)件一樣，能減小試件機加過程中的纖維和預(yù)制體損傷，降低結(jié)構(gòu)缺陷的影響，可進(jìn)行多種狀態(tài)單項試驗，得到與制品接近、反映結(jié)構(gòu)整體抗內(nèi)外壓性能的材料參數(shù)。

本文根據(jù)某擴張段采用的針刺C/C復(fù)合材料制備圓筒試驗件，并設(shè)計相應(yīng)的外壓和內(nèi)壓試驗工裝，對其進(jìn)行內(nèi)/外壓試驗研究，測試關(guān)鍵部位應(yīng)變數(shù)據(jù)，總結(jié)應(yīng)力分布規(guī)律，并與有限元仿真結(jié)果進(jìn)行對比，獲得準(zhǔn)確高精度3D圓筒構(gòu)件水壓仿真計算模型。

1 內(nèi)/外壓試驗

1.1 構(gòu)件制備

圓筒構(gòu)件采用西安復(fù)合材料研究所提供的針刺C/C復(fù)合材料制備。試驗件預(yù)制體由無緯布、網(wǎng)胎和纖維束組成，編織工藝為 [0°/90°/45°/-45°]鋪層，厚度方向通過針刺纖維增強，針刺密度為12針/cm2。碳纖維為12K T700，密度為1.55～1.70 g/cm3。在制備過程中，參照C/C擴張段制品的預(yù)制體成型、CVD、碳化等工藝流程，其性能與制品基本保持一致。

1.2 密封防水設(shè)計

鑒于針刺C/C復(fù)合材料結(jié)構(gòu)具有多孔微結(jié)構(gòu)，為保證結(jié)構(gòu)密封性，構(gòu)件及工裝設(shè)計采用端面密封方式[圖1(a)]，同時在圓筒構(gòu)件內(nèi)外表面刷涂專用密封膠，保證試驗過程中結(jié)構(gòu)密封性。構(gòu)件中間部位沿環(huán)向間隔90°分別粘貼2路軸向和環(huán)向加長電阻應(yīng)變片(型號BE120-10AA)，并用硅橡膠進(jìn)行密封防水處理[圖1(b)]。[圖1(c)]為組裝好的試驗件及工裝實物圖。

1.3 測試裝置

測試裝置包括：水壓容器(極限壓力范圍：0～30 MPa)、水壓泵、壓力表、多功能試驗臺等[圖2(a)-(c)]。應(yīng)變采集系統(tǒng)采用DH3815N靜態(tài)應(yīng)變測試分析系統(tǒng)，16通道計算機自采功能，采樣速率1～20 Hz，誤差小于±4με[圖2(d)]。

1.4 試驗過程

試驗過程分為四個步驟：(1)將針刺C/C圓筒構(gòu)件與固定工裝連接好，外壓試驗中放入水壓容器[圖2(a)]，內(nèi)壓試驗將試驗件安裝在多功能試驗臺[圖2(b)]；(2)檢測應(yīng)變電阻狀態(tài)及應(yīng)變測試通道，壓力儀表與應(yīng)變測試系統(tǒng)同步開始記錄；(3)逐步緩慢線性加載靜態(tài)水壓載荷，加載間隔最大0.5 MPa，直至結(jié)構(gòu)破壞;(4)實驗后通過應(yīng)變片信號獲取針刺C/C圓筒構(gòu)件材料的破壞強度及破壞應(yīng)變，分析破壞機理。

1.5 試驗結(jié)果分析

1.5.1 試驗現(xiàn)象

外壓試驗過程中，當(dāng)壓力達(dá)7.9 MPa時壓力計顯示壓力快速卸載，外壓試驗件出現(xiàn)破壞；內(nèi)壓試驗壓力達(dá)6.1 MPa時，試驗件發(fā)生破壞。圖3為破壞后構(gòu)件殘骸形貌，其中，結(jié)構(gòu)承載外壓時，破壞方式為崩潰式破壞，C/C圓筒構(gòu)件破壞為多塊大小不一的碎塊，筒段中段有較大貫穿性斷面，破壞碎片層間有分層現(xiàn)象，圓筒構(gòu)件兩端根部破壞嚴(yán)重。結(jié)構(gòu)承內(nèi)壓載荷破壞時，圓筒構(gòu)件從中段最先出現(xiàn)漏水，表面可見構(gòu)件中間位置最先出現(xiàn)破壞裂紋，繼而擴展為貫穿的軸向裂紋及局部的環(huán)向裂紋。

1.5.2 應(yīng)變分析

圖4、圖5為構(gòu)件外表面承載靜水壓過程中各測點軸向及環(huán)向的應(yīng)變時程曲線。從曲線可以看出，外水壓載荷下，加載初始應(yīng)變數(shù)據(jù)有波動，兩測點軸向和環(huán)向應(yīng)變除零點處有較小正應(yīng)變外，隨著水壓載荷的增大，兩向應(yīng)變均為負(fù)應(yīng)變，且逐漸近似線性增加，表明結(jié)構(gòu)承載壓應(yīng)力。軸向應(yīng)變較小，最大不超過1 000 με；環(huán)向應(yīng)變較軸向應(yīng)變大，從圖4(b)和圖5(b)中可以看出，兩測點環(huán)向破壞應(yīng)變分別約4 013 με和 3 210 με。

圖6為構(gòu)件內(nèi)表面承載靜水壓過程中兩測點軸向及環(huán)向的應(yīng)變時程曲線。從曲線可以看出，內(nèi)水壓載荷下，除初始加載時在零點附近有波動負(fù)應(yīng)變值，隨著加載穩(wěn)定，兩向應(yīng)變均為正應(yīng)變，軸向和環(huán)向應(yīng)變隨著水壓載荷的增大逐漸非線性增加，表明結(jié)構(gòu)在內(nèi)壓工況下，結(jié)構(gòu)開始膨脹承載拉應(yīng)力。比較兩向應(yīng)變，其中軸向應(yīng)變較小，最大不超過1 000 με；環(huán)向應(yīng)變較軸向應(yīng)變大，測點1和測點2環(huán)向破壞應(yīng)變分別約為2 609 με和3 197 με。

綜合以上破壞形貌及破壞應(yīng)變數(shù)據(jù)分析可以推測，針刺C/C圓筒構(gòu)件內(nèi)/外壓破壞均為較為典型的材料脆性破壞模式。

2 仿真與試驗對比分析

2.1 有限元模型

根據(jù)圖1(a)試驗件尺寸及實際試驗條件，建立針刺C/C復(fù)合材料圓筒3D有限元實體模型，模型的單元類型為C3D8R，模型中上、下端面與工裝采用通用接觸模式，上下側(cè)面與水壓工裝間接觸采用TIE模式，在其內(nèi)/外表面施加法向壓力載荷p，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜壓載荷計算，獲取應(yīng)力分布趨勢，預(yù)估結(jié)構(gòu)破壞載荷極限以及破壞可能位置。具體3D FEM模型如圖7 所示，材料參數(shù)如表1所示。

表1 針刺C/C復(fù)合材料性能參數(shù)

2.2 仿真與試驗結(jié)果對比分析

圖8為施加外壓載荷8.2 MPa和內(nèi)壓載荷5.8 MPa時圓筒構(gòu)件各向應(yīng)力及Mises應(yīng)力分布云圖，可以看出，在本文試驗條件下，結(jié)構(gòu)承載外壓載荷時，環(huán)向承受的壓應(yīng)力工況較為惡劣，結(jié)構(gòu)承載內(nèi)壓載荷時，環(huán)向承受的拉應(yīng)力工況惡劣。

計算顯示，外壓載荷8.2 MPa時，結(jié)構(gòu)環(huán)向壓縮應(yīng)力約為175.7 MPa，接近材料的176 MPa的壓縮破壞極限強度。仿真預(yù)示結(jié)果與7.9 MPa的試驗結(jié)果相比，誤差約3.8%。應(yīng)力云圖顯示，構(gòu)件的破壞危險點為筒段中間區(qū)域，這與實際破壞位置吻合良好。

結(jié)構(gòu)承載5.8 MPa的內(nèi)壓載荷時，結(jié)構(gòu)環(huán)向拉伸應(yīng)力約為99.91 MPa，亦接近材料環(huán)向拉伸破壞極限，筒段中間為結(jié)構(gòu)承力工況惡劣區(qū)域。仿真預(yù)示內(nèi)壓破壞載荷與試驗測試結(jié)果6.1 MPa的破壞載荷相比，誤差約4.9%。

3 結(jié)論

(1)內(nèi)外水壓試驗測點應(yīng)變數(shù)據(jù)一致性較好，驗證了結(jié)構(gòu)變形規(guī)律和應(yīng)力分布趨勢；

(2)結(jié)構(gòu)承載外壓載荷時，環(huán)向承受的壓應(yīng)力工況較為惡劣，結(jié)構(gòu)承載內(nèi)壓載荷時，環(huán)向承受的拉應(yīng)力工況惡劣；

(3)仿真計算值與試驗結(jié)果吻合較好, 內(nèi)/外水壓載荷下，Mises應(yīng)力最大誤差分別約4.9%和3.8%，可以用來進(jìn)行針刺C/C復(fù)合材料構(gòu)件強度設(shè)計及校核。

以上結(jié)果表明，本文設(shè)計的水壓試驗測試方法合理有效，建立的三維仿真模型真實準(zhǔn)確，試驗及仿真結(jié)果對于改進(jìn)固體火箭發(fā)動機針刺C/C復(fù)合材料噴管擴張段結(jié)構(gòu)設(shè)計、修正C/C針刺材料本構(gòu)模型參數(shù)、預(yù)估結(jié)構(gòu)安全裕度等有著重要的參考價值。

[1] 陳汝訓(xùn). 固體火箭發(fā)動機設(shè)計與研究[M]. 北京: 中國宇航出版社, 2009：223-226

[2] 王藝杰，鮑福廷，杜佳佳. 固體火箭發(fā)動機噴管分離流動數(shù)值模擬及試驗研究[J]. 固體火箭技術(shù), 2010, 33(4)：406-408.

[3] HADJADJ A, ONOFRI M. Nozzle flow separation[J]. Shock Waves, 2009, 19:163-169.

[4] 尹健, 熊翔，等. 固體火箭發(fā)動機噴管用C/C復(fù)合材料研究進(jìn)展[J]. 材料導(dǎo)報，2004,18(4)：46-48.

[5] BROQUERE B. Carbon/carbon nozzle exit cones,SEP’s experience and new developments[R]. AIAA-2647，1997.

[6] 蘇君明. 高效高沖質(zhì)比C/C噴管的應(yīng)用與進(jìn)展[J]. 新型炭材料,1996,11(3)：18-23.

External and Internal Hydro-Proof Test and Simulation Investigation on Needling C/C Composite Cylinder

HAN Xuequn LIU Qin LI Geng ZHENG Wei

(Xi’an Institute of Aerospace Solid Propulsion Technology, Xi’an 710025)

The external and internal hydro-proof test investigation of the cylinder structures are developed in the present paper. The needling C/C composite cylinder sample preparation and the fixture are designed according to the testing condition. The stress distribution information of the structures is obtained during the test process. The 3D hydro-proof FEM simulation model is established to compare with the experiment results. The simulation results are in good agreement with the test results,which indicates the validity and accuracy of the FEM simulation model. The test and simulation conclusions can provide some important guidance for the nozzle carbon/carbon composite with cone structure design, material constitutive model parameter modification and structure safety tolerance prediction.

Needling C/C composite material,Cylinder sample,External pressure,Internal pressure, Hydro-proof test

2016-07-07

韓學(xué)群，1983年出生,碩士，主要從事發(fā)動機噴管設(shè)計工作。E-mail:hanxuequn08@163.com

TB33,V25

10.12044/j.issn.1007-2330.2017.01.007

[11] 曹樹謙, 張文德, 等. 振動結(jié)構(gòu)模態(tài)分析: 理論, 實驗與應(yīng)用[M]. 天津：天津大學(xué)出版社, 2001.