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·

編織復合材料在高溫熱結構中的應用

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)的復合材料發(fā)動機支撐結構的高溫熱傳導分析，得到了薄壁回轉體構件承受高溫作用后的傳導特性；通過地面富氧狀態(tài)下的考核試驗，驗證了該結構能夠滿足壁面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)品在工程應用中的分析與預示具有很強的指導意義。

編織復合材料，2.5D編織結構，熱結構

0 引言

編織復合材料結構呈網(wǎng)狀交織不分層整體，具有優(yōu)良的層間性能和綜合力學性能[1]，使用抗高溫樹脂固化成型的碳纖維編織結構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，使用編織技術可以直接編織出各種形狀、不同尺寸的整體異型構件，結構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合材料的制造與應用技術，如用三維編織復合材料制造耐高溫、燒蝕和高沖刷的導彈頭錐、火箭發(fā)動機的喉襯、發(fā)動機裙和導彈彈體或火箭箭體、航天器特殊結構件、飛機機翼等的研究極為重視[3]。

碳纖維復合材料編織制造纖維構架常用有3D和2.5D編織結構、正交三向結構、多軸向結構等。在工程實踐中，考慮到自動化生產(chǎn)條件和效率問題，2.5D編織結構往往成為優(yōu)選。編織復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)值法來預測編織復合材料的力學性能是一種成本低且有效的方法，由于結構的復雜性用解析法對編織復合材料的結構建模很困難[4]。針對目前3D編織構件靜態(tài)力學和動態(tài)力學研究較多[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合作用環(huán)境下，使用碳纖維復合材料2.5D編織工藝生產(chǎn)的發(fā)動機支撐結構的有限元分析和地面熱強度試驗考核，研究該產(chǎn)品適應于高溫熱環(huán)境使用能力和結構熱傳導特性，同時通過試驗驗證有限元分析的正確性和準確性。

1 復合材料2.5D編織結構件

1.1 2.5D編織原理

2.5D編織復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計性。2.5D編織復合材料避免了2D編織復合材料層間性能差和3D編織復合材料工藝復雜的缺點，降低了制造成本、縮短了生產(chǎn)周期，且易于制備回轉構件。使用2.5D編織工藝制造的結構件典型特點是緯紗平直、經(jīng)紗彎曲、結構為整體、可機械加工。2.5D編織結構件編織工藝原理見圖1。

1.2 發(fā)動機支撐結構件及編織織物工藝

發(fā)動機支撐結構件編織2.5D結構織物是將經(jīng)紗系統(tǒng)垂直吊起來，按照設計的行與列對經(jīng)紗進行初始排列，然后把經(jīng)紗按設計好的運動規(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)設定的結構，變換若干次經(jīng)紗位置并引入相應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”，完成一個完整的結構單元，重復以上運動循環(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)律進行調整，就可以編織出不同結構的2.5D編織織物結構。2.5D編織工藝結構件微觀結構見圖2。

圖2 2.5D編織工藝微觀結構示意圖

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

圖3 發(fā)動機支撐結構圖

表1 編織織物工藝參數(shù)

2.5D編織發(fā)動機支撐結構件成型使用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編織構件熱傳導分析與預示

2.1 熱分析理論基礎

無內熱源的熱傳導控制方程為：

(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 結構熱傳導有限元分析

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

圖4 有限元分析模型

表2 2.5D編織復合材料性能參數(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)動機支撐結構單面結構受熱傳導過程(另一面結構與其對稱)，右側“輻射加熱”是發(fā)動機支撐結構圓柱筒內發(fā)動機產(chǎn)生的高溫熱量向結構外傳導，圖中“試驗件”模擬的是3 mm厚發(fā)動機支撐結構圓柱體單面壁板，左側“輻射散熱”是發(fā)動機支撐結構圓柱體外側向空間散熱過程。參數(shù)設置為：結構內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構最大溫升不超過20℃。

圖5 筒壁的邊界條件示意圖

計算后的結構隨加熱時間變化，取不同時間下結構溫度云圖見圖6。

圖6 4種不同加熱時間熱傳導云圖

內壁施加輻射熱時，內壁溫度較高，外壁溫度較低；熱量從內壁傳向外壁，隨著時間推移，結構溫度逐漸升高，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 不同時刻在結構厚度方向的溫度分布

3 編織構件高溫熱環(huán)境考核

3.1 總體考核方案與環(huán)境

2.5D編織發(fā)動機支撐結構件高溫熱環(huán)境考核方案為地面富氧狀態(tài)熱強度石英燈加熱考核。考核目的是在模擬發(fā)動機工作高溫環(huán)境下，驗證2.5D編織結構件能否滿足發(fā)動機長時高溫熱環(huán)境使用要求，結構件在高溫環(huán)境是否會出現(xiàn)散架、結構解散不滿足熱強度使用要求的情況，并獲取結構件各處溫度數(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。熱源放置在試驗結構件內部，熱源前端凸出結構件端面。

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。

結構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

熱源放置在試驗結構件內部，熱源前端凸出結構件端面，結構件下端安裝固定，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 構件高溫熱試驗考核結果

試驗控制器程序為：0～40 s，結構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)動機支撐結構件在試驗進行到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，但一直有物質蒸發(fā)冒煙。試驗中產(chǎn)品狀態(tài)見圖11。

圖11 熱結構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)動機支撐結構件表面已嚴重炭化，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)動機支撐結構件剛度、強度變弱。試驗后產(chǎn)品燒蝕狀態(tài)見圖12。

圖12 試驗后的結構件燒蝕狀態(tài)

發(fā)動機支撐結構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)

從結構件上的溫度測點圖可以得出以下結果。

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

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

考核試驗是在地面富氧狀態(tài)下進行的，因而發(fā)動機支撐結構在試驗中出現(xiàn)著火燃燒，從而加快了發(fā)動機支撐結構的燒蝕，而在真實飛行的真空狀態(tài)下沒有氧氣，發(fā)動機支撐結構不會燃燒，樹脂只會揮發(fā)、炭化，同時發(fā)動機支撐結構受熱也只是局部的，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。但從試驗后結構件檢查和靜力試驗驗證來看，高溫熱環(huán)境作用后的發(fā)動機支撐結構仍能承載使用要求載荷，能夠達到設計要求，證明使用2.5D編織的碳纖維復合材料構件在質量較金屬材料減輕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，有限元計算結果和試驗實測值較吻合，誤差在10%以內，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，能夠指導實際工程使用。

圖14 有限元分析結果與試驗實測值對比

5 結論

通過對2.5D編織工藝生產(chǎn)制造的發(fā)動機支撐結構進行的高溫熱傳導過程分析、地面考核方案設計和驗證研究，驗證了采用該工藝制造的新型結構抗高溫使用環(huán)境能力。

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

(2)通過高溫熱強度試驗證明:2.5D編織工藝制造的結構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合材料結構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，針對此類回轉體薄壁結構，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工程應用。

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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構設計工作。E-mail：jibaofeng12345@163.com

TB33

10.12044/j.issn.1007-2330.2017.04.003