季寶鋒 孫艷杰 章 凌 楊 柳 提亞峰

(1 北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076)(2 航天材料及工藝研究所，北京 100076)

·計算材料學(xué)·

編織復(fù)合材料在高溫?zé)峤Y(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

季寶鋒1孫艷杰2章 凌1楊 柳1提亞峰1

(1 北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076)(2 航天材料及工藝研究所，北京 100076)

文 摘 通過對使用2.5D編織工藝生產(chǎn)的復(fù)合材料發(fā)動機支撐結(jié)構(gòu)的高溫?zé)醾鲗?dǎo)分析，得到了薄壁回轉(zhuǎn)體構(gòu)件承受高溫作用后的傳導(dǎo)特性；通過地面富氧狀態(tài)下的考核試驗，驗證了該結(jié)構(gòu)能夠滿足壁面950℃高溫長時間使用要求；有限元分析與考核試驗結(jié)果一致，驗證了有限元計算的正確性和地面試驗各項熱流補償參數(shù)的合理性，對此類產(chǎn)品在工程應(yīng)用中的分析與預(yù)示具有很強的指導(dǎo)意義。

編織復(fù)合材料，2.5D編織結(jié)構(gòu)，熱結(jié)構(gòu)

0 引言

編織復(fù)合材料結(jié)構(gòu)呈網(wǎng)狀交織不分層整體，具有優(yōu)良的層間性能和綜合力學(xué)性能[1]，使用抗高溫樹脂固化成型的碳纖維編織結(jié)構(gòu)件具有十分良好的耐燒蝕性和耐沖刷性[2]。在生產(chǎn)工藝上，使用編織技術(shù)可以直接編織出各種形狀、不同尺寸的整體異型構(gòu)件，結(jié)構(gòu)件成型后不需再加工，避免了后加工造成的纖維損傷。近20年來，國際上對三維編織復(fù)合材料的制造與應(yīng)用技術(shù)，如用三維編織復(fù)合材料制造耐高溫、燒蝕和高沖刷的導(dǎo)彈頭錐、火箭發(fā)動機的喉襯、發(fā)動機裙和導(dǎo)彈彈體或火箭箭體、航天器特殊結(jié)構(gòu)件、飛機機翼等的研究極為重視[3]。

碳纖維復(fù)合材料編織制造纖維構(gòu)架常用有3D和2.5D編織結(jié)構(gòu)、正交三向結(jié)構(gòu)、多軸向結(jié)構(gòu)等。在工程實踐中，考慮到自動化生產(chǎn)條件和效率問題，2.5D編織結(jié)構(gòu)往往成為優(yōu)選。編織復(fù)合材料在使用過程中必須進行的彈性、熱物理性能、強度和失效等情況的分析計算主要有解析法和數(shù)值法。用解析法和數(shù)值法來預(yù)測編織復(fù)合材料的力學(xué)性能是一種成本低且有效的方法，由于結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性用解析法對編織復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)建模很困難[4]。針對目前3D編織構(gòu)件靜態(tài)力學(xué)和動態(tài)力學(xué)研究較多[5-7]、熱力性能研究較少的情況，本文通過對工作于高溫、熱沖刷和熱力載荷復(fù)合作用環(huán)境下，使用碳纖維復(fù)合材料2.5D編織工藝生產(chǎn)的發(fā)動機支撐結(jié)構(gòu)的有限元分析和地面熱強度試驗考核，研究該產(chǎn)品適應(yīng)于高溫?zé)岘h(huán)境使用能力和結(jié)構(gòu)熱傳導(dǎo)特性，同時通過試驗驗證有限元分析的正確性和準確性。

1 復(fù)合材料2.5D編織結(jié)構(gòu)件

1.1 2.5D編織原理

2.5D編織復(fù)合材料采用機織或編織成型，通過緯紗和經(jīng)紗之間纏繞形成互鎖，纖維束在厚度方向上以一定角度進行交織，使材料具有更好的整體性，因而具有良好的剪切性能及很強的可設(shè)計性。2.5D編織復(fù)合材料避免了2D編織復(fù)合材料層間性能差和3D編織復(fù)合材料工藝復(fù)雜的缺點，降低了制造成本、縮短了生產(chǎn)周期，且易于制備回轉(zhuǎn)構(gòu)件。使用2.5D編織工藝制造的結(jié)構(gòu)件典型特點是緯紗平直、經(jīng)紗彎曲、結(jié)構(gòu)為整體、可機械加工。2.5D編織結(jié)構(gòu)件編織工藝原理見圖1。

1.2 發(fā)動機支撐結(jié)構(gòu)件及編織織物工藝

發(fā)動機支撐結(jié)構(gòu)件編織2.5D結(jié)構(gòu)織物是將經(jīng)紗系統(tǒng)垂直吊起來，按照設(shè)計的行與列對經(jīng)紗進行初始排列，然后把經(jīng)紗按設(shè)計好的運動規(guī)律互相進行位置變換，每變換一次位置，引一次緯紗，從而實現(xiàn)經(jīng)紗和緯紗的一次“交織”。根據(jù)設(shè)定的結(jié)構(gòu)，變換若干次經(jīng)紗位置并引入相應(yīng)的緯紗后完成一個完整運動循環(huán)，經(jīng)紗和緯紗實現(xiàn)了多次“交織”，完成一個完整的結(jié)構(gòu)單元，重復(fù)以上運動循環(huán)，直到編織完成為止。對初始行與列排布及每列經(jīng)紗運動規(guī)律進行調(diào)整，就可以編織出不同結(jié)構(gòu)的2.5D編織織物結(jié)構(gòu)。2.5D編織工藝結(jié)構(gòu)件微觀結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 2.5D編織工藝微觀結(jié)構(gòu)示意圖

發(fā)動機支撐結(jié)構(gòu)件結(jié)構(gòu)形式為典型的圓柱回轉(zhuǎn)體薄壁結(jié)構(gòu)(圖3)，壁厚均為3 mm，中間均布三處散熱開口，回轉(zhuǎn)體軸向為緯向，回轉(zhuǎn)方向為經(jīng)向，2.5D編織織物經(jīng)、緯向工藝參數(shù)見表1。

圖3 發(fā)動機支撐結(jié)構(gòu)圖

表1 編織織物工藝參數(shù)

2.5D編織發(fā)動機支撐結(jié)構(gòu)件成型使用RTM工藝制造[8]，系統(tǒng)由原材料系統(tǒng)、注膠系統(tǒng)和模具系統(tǒng)組成。過程是將預(yù)制件放入密閉的模具中，在一定的溫度、壓力下，將耐高溫樹脂注入模腔而固化成型。

2 2.5D編織構(gòu)件熱傳導(dǎo)分析與預(yù)示

2.1 熱分析理論基礎(chǔ)

無內(nèi)熱源的熱傳導(dǎo)控制方程為：

(1)

式中，T為溫度，ρ為密度，c為比熱容，k為熱導(dǎo)率，i=1,2,3。

初始條件為：

T|t=0=20℃,onΩ

(2)

式中，t為時間，Ω為熱傳導(dǎo)求解域。

邊界條件為：

(3)

式中，n為邊界法向，h為對流換熱系數(shù)，ε為輻射系數(shù)，σ為玻爾茲曼常數(shù)，Te為環(huán)境溫度;Γ為邊界區(qū)域。

2.2 結(jié)構(gòu)熱傳導(dǎo)有限元分析

采用有限元方法對發(fā)動機支撐結(jié)構(gòu)進行熱分析，Abaqus有限元模型見圖4，采用六面體一階熱傳導(dǎo)單元。熱源位于套筒內(nèi)，溫度梯度主要沿3 mm厚度方向，在此方向劃分4個單元。結(jié)構(gòu)材料性能見表2。

圖4 有限元分析模型

表2 2.5D編織復(fù)合材料性能參數(shù)

計算使用邊界條件見圖5，圖中模擬在真實受熱狀態(tài)下發(fā)動機支撐結(jié)構(gòu)單面結(jié)構(gòu)受熱傳導(dǎo)過程(另一面結(jié)構(gòu)與其對稱)，右側(cè)“輻射加熱”是發(fā)動機支撐結(jié)構(gòu)圓柱筒內(nèi)發(fā)動機產(chǎn)生的高溫?zé)崃肯蚪Y(jié)構(gòu)外傳導(dǎo)，圖中“試驗件”模擬的是3 mm厚發(fā)動機支撐結(jié)構(gòu)圓柱體單面壁板，左側(cè)“輻射散熱”是發(fā)動機支撐結(jié)構(gòu)圓柱體外側(cè)向空間散熱過程。參數(shù)設(shè)置為：結(jié)構(gòu)內(nèi)壁有石英燈管輻射加熱，輻射系數(shù)取0.8，石英燈管溫度為1 150℃；外壁有輻射散熱，輻射系數(shù)取0.8，環(huán)境溫度取20℃；內(nèi)壁和外壁均有對流換熱散熱，考慮到試驗室空間較大，熱試驗對空間溫度影響較小，取環(huán)境溫度為20℃，內(nèi)壁換熱系數(shù)取h1，外壁換熱系數(shù)取h2，根據(jù)熱補償條件，h1=h2=80 W/(m2·K)，環(huán)境初始溫度取20℃。計算時間步長采用自動增量策略，總時長為200 s，初始時間步長為0.1 s，最小時間步長為ms，最大時間步長為1 s，約束每個時間步長的結(jié)構(gòu)最大溫升不超過20℃。

圖5 筒壁的邊界條件示意圖

計算后的結(jié)構(gòu)隨加熱時間變化，取不同時間下結(jié)構(gòu)溫度云圖見圖6。

圖6 4種不同加熱時間熱傳導(dǎo)云圖

內(nèi)壁施加輻射熱時，內(nèi)壁溫度較高，外壁溫度較低；熱量從內(nèi)壁傳向外壁，隨著時間推移，結(jié)構(gòu)溫度逐漸升高，且向耳片擴散。筒壁厚度方向溫度分布見圖7，溫度較低時，呈現(xiàn)出非線性分布特性；加熱60 s后，溫度逐漸趨于穩(wěn)定，厚度方向呈線性分布特性。

圖7 不同時刻在結(jié)構(gòu)厚度方向的溫度分布

3 編織構(gòu)件高溫?zé)岘h(huán)境考核

3.1 總體考核方案與環(huán)境

2.5D編織發(fā)動機支撐結(jié)構(gòu)件高溫?zé)岘h(huán)境考核方案為地面富氧狀態(tài)熱強度石英燈加熱考核?？己四康氖窃谀M發(fā)動機工作高溫環(huán)境下，驗證2.5D編織結(jié)構(gòu)件能否滿足發(fā)動機長時高溫?zé)岘h(huán)境使用要求，結(jié)構(gòu)件在高溫環(huán)境是否會出現(xiàn)散架、結(jié)構(gòu)解散不滿足熱強度使用要求的情況，并獲取結(jié)構(gòu)件各處溫度數(shù)據(jù)。試驗環(huán)境為地面富氧狀態(tài)，即空氣自由狀態(tài)，試驗件散熱通暢。熱源放置在試驗結(jié)構(gòu)件內(nèi)部，熱源前端凸出結(jié)構(gòu)件端面。

3.2 加熱溫度換算

黑體輻射原理公式為：

E=ξδT4

(4)

式中,E為輻射能量；ξ為材料吸收率；δ為輻射常數(shù)；T為輻射體表面溫度。

結(jié)構(gòu)受熱最嚴酷位置為發(fā)動機喉部，直徑為33 mm，熱源為Q1，溫度為1 400℃；加熱棒外緣直徑為62 mm，熱源為Q2。試驗中要求保證熱源對試驗件提供能量一致，即：

Q1=Q2

(5)

Q1=E1S1=ξδ(1400+273)4×h×π×R33

(6)

Q2=E2S2=ξδ(T+273)4×h×π×R62

(7)

得到：T=1 155℃。

3.3 熱源形狀、加熱溫度確定及試驗件安裝

采用石英燈輻射方式加熱，并采用熱能轉(zhuǎn)換方式進行加熱試驗。加熱熱源主體為圓柱形，外徑Φ62 mm，熱源壁厚1 mm，外壁涂黑處理，考慮到試驗過程中溫度的控制，加熱溫度1 150℃，試驗加熱溫度控制點在加熱工裝內(nèi)壁軸向中間位置，試驗加載方式見圖8。

圖8 試驗加載方式

熱源放置在試驗結(jié)構(gòu)件內(nèi)部，熱源前端凸出結(jié)構(gòu)件端面，結(jié)構(gòu)件下端安裝固定，試驗件無外部負載。試驗件安裝狀態(tài)見圖9。

圖9 試驗件安裝圖

3.4 溫度測點布置

試件溫度測點共7個，編號及位置見圖10。

圖10 試驗件溫度測點圖

3.5 構(gòu)件高溫?zé)嵩囼灴己私Y(jié)果

試驗控制器程序為：0～40 s，結(jié)構(gòu)件加熱溫度從室溫增加到1 150℃；保溫40～300 s。加熱過程中，發(fā)動機支撐結(jié)構(gòu)件在試驗進行到40 s時開始大面積出現(xiàn)煙霧，并有局部火苗，主要集中在圓柱形金屬筒外緣。大面積著火一直持續(xù)約80 s后熄滅，之后基本無明火，但一直有物質(zhì)蒸發(fā)冒煙。試驗中產(chǎn)品狀態(tài)見圖11。

圖11 熱結(jié)構(gòu)件加熱過程燒蝕狀態(tài)

試驗后進行試驗件燒蝕狀態(tài)檢查，發(fā)動機支撐結(jié)構(gòu)件表面已嚴重炭化，只剩下碳纖維編織機體，厚度明顯變薄，絕大部分樹脂已蒸發(fā)、燃燒炭化，發(fā)動機支撐結(jié)構(gòu)件剛度、強度變?nèi)酢Ｔ囼灪螽a(chǎn)品燒蝕狀態(tài)見圖12。

圖12 試驗后的結(jié)構(gòu)件燒蝕狀態(tài)

發(fā)動機支撐結(jié)構(gòu)件試驗中各測點溫度測量數(shù)據(jù)見圖13。

圖13 試驗溫度測點數(shù)據(jù)

從結(jié)構(gòu)件上的溫度測點圖可以得出以下結(jié)果。

(1)各測點數(shù)據(jù)變化較平穩(wěn)，發(fā)動機支撐結(jié)構(gòu)件熱強度試驗中，內(nèi)壁最高溫度為950℃。

(2)試驗開始192 s前基本都處于發(fā)動機支撐結(jié)構(gòu)機體溫升過程，同時溫度數(shù)值波動較大，這主要是發(fā)動機支撐結(jié)構(gòu)燃燒著火引起；192 s之后各測點溫度基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，這與發(fā)動機支撐結(jié)構(gòu)不再燃燒只有部分蒸發(fā)煙霧有關(guān)。

考核試驗是在地面富氧狀態(tài)下進行的，因而發(fā)動機支撐結(jié)構(gòu)在試驗中出現(xiàn)著火燃燒，從而加快了發(fā)動機支撐結(jié)構(gòu)的燒蝕，而在真實飛行的真空狀態(tài)下沒有氧氣，發(fā)動機支撐結(jié)構(gòu)不會燃燒，樹脂只會揮發(fā)、炭化，同時發(fā)動機支撐結(jié)構(gòu)受熱也只是局部的，重點在發(fā)動機喉部和噴口末端，因此，試驗為極限考核狀態(tài)，較真實使用狀態(tài)要嚴酷很多。但從試驗后結(jié)構(gòu)件檢查和靜力試驗驗證來看，高溫?zé)岘h(huán)境作用后的發(fā)動機支撐結(jié)構(gòu)仍能承載使用要求載荷，能夠達到設(shè)計要求，證明使用2.5D編織的碳纖維復(fù)合材料構(gòu)件在質(zhì)量較金屬材料減輕50%以上的情況下，仍能滿足工程力熱一體化功能需要。

4 熱強度試驗與有限元計算結(jié)果對比

對圖13中試驗數(shù)據(jù)進行分析，測點T2和T3的變化比較有規(guī)律，數(shù)據(jù)可靠性比較高，采用這兩點的數(shù)據(jù)對分析模型進行修正。分析數(shù)據(jù)特征發(fā)現(xiàn)，加熱的時間起點約為32 s時刻，在200 s時刻以后溫度數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定。

對試驗工況進行有限元分析，見圖14，有限元計算結(jié)果和試驗實測值較吻合，誤差在10%以內(nèi)，表明有限元分析模型具有較高精度，計算方法正確，修正參數(shù)選取合理，能夠指導(dǎo)實際工程使用。

圖14 有限元分析結(jié)果與試驗實測值對比

5 結(jié)論

通過對2.5D編織工藝生產(chǎn)制造的發(fā)動機支撐結(jié)構(gòu)進行的高溫?zé)醾鲗?dǎo)過程分析、地面考核方案設(shè)計和驗證研究，驗證了采用該工藝制造的新型結(jié)構(gòu)抗高溫使用環(huán)境能力。

(1)得到了碳纖維復(fù)合材料2.5D編織工藝+高溫樹脂制造的薄壁結(jié)構(gòu)件，在富氧狀態(tài)下，能夠適應(yīng)加熱器1 150℃、壁面950℃高溫環(huán)境長時間使用要求。最終主體結(jié)構(gòu)不會散架，能夠在具有熱沖刷環(huán)境中使用。

(2)通過高溫?zé)釓姸仍囼炞C明:2.5D編織工藝制造的結(jié)構(gòu)件高溫性能主要取決于樹脂的高溫性能。提高樹脂的高溫分解性能、快速炭化能力是提高碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件高溫性能的主要途徑。

(3)有限元與工程熱強度試驗考核的一致性，證明熱強度試驗中各項補償條件和參數(shù)選取合理。同時，針對此類回轉(zhuǎn)體薄壁結(jié)構(gòu)，有限元計算具有較高的置信度，可以使用分析仿真的方法直接指導(dǎo)工程應(yīng)用。

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Application of Braiding Composites in Design of High-Temperature Thermal Structures

JI Baofeng1SUN Yanjie2HANG Ling1YANG Liu1TI Yafeng1

(1 Beijing Institute of Astronautical Systems Engineering，Beijing 100076)(2 Aerospace Research Institute of Materials & Processing Technology , Beijing 100076)

The 3D braiding composites is widely used in the field of aviation,aerospace and other high technology because of excellent properties. The resistance of 3D braiding composites to high-temperature is an important application. In this paper, the heat conduction characteristics of a revolving thin wall under high-temperature are obtained through the heat conduction analysis of a 2.5D braiding CFRP engine structure. Then, through the test under the ground state of oxygen enrichment, it is proved that the structure can be used under high-temperature of 950℃ for long time. The consistency of finite element analysis and test results verifies the calculation correctness and the rationality of compensation parameters selection in test. The study has a good guiding significance to the application of 3D braiding composites in engineering.

Braiding composites, 2.5D braiding structure, Thermal structure

2017-03-28

國防基礎(chǔ)科研項目(A0320131001)

季寶鋒，1982年出生，高級工程師，主要從事運載火箭的結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。E-mail：jibaofeng12345@163.com

TB33

10.12044/j.issn.1007-2330.2017.04.003