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)
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。
1.1 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。
2.1 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
3.1 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。
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
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