韩学群, 1983年出生, 硕士, 主要从事发动机喷管设计工作。E-mail:
根据某扩张段采用的针刺C/C复合材料制备圆筒构件试验件,设计外压和内压试验工装,对其开展内外压试验研究,总结结构应力分布规律,并与有限元仿真结果进行对比,仿真结果与试验结果一致性较好,获得了准确高精度3D圆筒构件水压仿真计算模型。试验及仿真结果对于改进固体火箭发动机针刺C/C复合材料喷管扩张段结构设计,修正材料本构模型参数,预估结构安全裕度有着重要的参考价值。
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.
C/C扩张段结构是高性能固体火箭发动机喷管重要组成部件[
本文根据某扩张段采用的针刺C/C复合材料制备圆筒试验件,并设计相应的外压和内压试验工装,对其进行内/外压试验研究,测试关键部位应变数据,总结应力分布规律,并与有限元仿真结果进行对比,获得准确高精度3D圆筒构件水压仿真计算模型。
圆筒构件采用西安复合材料研究所提供的针刺C/C复合材料制备。试验件预制体由无纬布、网胎和纤维束组成,编织工艺为[0°/90°/45°/-45°]铺层,厚度方向通过针刺纤维增强,针刺密度为12针/cm2。碳纤维为12K T700,密度为1.55~1.70 g/cm3。在制备过程中,参照C/C扩张段制品的预制体成型、CVD、碳化等工艺流程,其性能与制品基本保持一致。
鉴于针刺C/C复合材料结构具有多孔微结构,为保证结构密封性,构件及工装设计采用端面密封方式[
圆筒构件
Cylinder sample
测试装置包括:水压容器(极限压力范围:0~30 MPa)、水压泵、压力表、多功能试验台等[
测试装置
Test device
试验过程分为四个步骤:(1) 将针刺C/C圆筒构件与固定工装连接好,外压试验中放入水压容器[
外压试验过程中,当压力达7.9 MPa时压力计显示压力快速卸载,外压试验件出现破坏;内压试验压力达6.1 MPa时,试验件发生破坏。
C/C圆筒构件试验后残骸
Failure pattern of cylinder sample after test
外压测点1应变时程曲线
Strain vs time curves of point 1 during exernal pressure test
外压测点2应变时程曲线
Strain vs time curves of point 2 during exernal pressure test
内压测点应变时程曲线
Strain vs time curves of test points during internal pressure test
综合以上破坏形貌及破坏应变数据分析可以推测,针刺C/C圆筒构件内/外压破坏均为较为典型的材料脆性破坏模式。
根据
3D FEM模型
3D FEM model
针刺C/C复合材料性能参数
Property parameters of needling C/C composite material
42.5 | 42.5 | 15.0 | 8.57 | 8.57 | 6.01 | 0.053 | 0.053 | 0.1 | 176 | 176 | 150 | 123 | 100 | 17 | 40 | 40 | 15 |
构件应力分布云图
Stress contour of cylinder sample
计算显示,外压载荷8.2 MPa时,结构环向压缩应力约为175.7 MPa,接近材料的176 MPa的压缩破坏极限强度。仿真预示结果与7.9 MPa的试验结果相比,误差约3.8%。应力云图显示,构件的破坏危险点为筒段中间区域,这与实际破坏位置吻合良好。
结构承载5.8 MPa的内压载荷时,结构环向拉伸应力约为99.91 MPa,亦接近材料环向拉伸破坏极限,筒段中间为结构承力工况恶劣区域。仿真预示内压破坏载荷与试验测试结果6.1 MPa的破坏载荷相比,误差约4.9%。
(1) 内外水压试验测点应变数据一致性较好,验证了结构变形规律和应力分布趋势;
(2) 结构承载外压载荷时,环向承受的压应力工况较为恶劣,结构承载内压载荷时,环向承受的拉应力工况恶劣;
(3) 仿真计算值与试验结果吻合较好, 内/外水压载荷下,Mises应力最大误差分别约4.9%和3.8%,可以用来进行针刺C/C复合材料构件强度设计及校核。
以上结果表明,本文设计的水压试验测试方法合理有效,建立的三维仿真模型真实准确,试验及仿真结果对于改进固体火箭发动机针刺C/C复合材料喷管扩张段结构设计、修正C/C针刺材料本构模型参数、预估结构安全裕度等有着重要的参考价值。
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