文献·碳纤维复合材料壳体轴压稳定性分析与试验验证
碳纤维复合材料壳体轴压稳定性分析与试验验证
栗永峰1，2; 周伟勇3; 张磊2; 杜鹏程2
1.国防科技大学 空天科学学院，长沙 410073；
2.中国航天科工集团有限公司六院41所，呼和浩特 010010；
3.中国人民解 放军96901部队，北京 100095
01 应用背景和意义
固体火箭发动机飞行时所承受的外载荷通过燃烧室壳体前、后裙传递至圆筒段。对复合材料燃烧室壳体而言，轴压载荷作用下裙连接区的受力属于强度问题，中国航天科工集团有限公司六院41所栗永峰团队（国防科技大学空天科学学院在读博士）已在《基于内聚力模型的复合材料壳体裙粘接性能研究》（《国防科技大学学报2018（2）期）一文中进行了专门论述。圆筒段在轴压载荷下属于刚度问题，但由于碳纤维材料本身的各向异性、微观构造的不均匀性以及壳体屈曲时所固有的几何非线性，使结构稳定性问题变得异常复杂，其研究水平远远落后于相应的金属壳体。
工程研制过程中，由于不同产品的结构尺寸有所差异，直接采用真实产品进行试验存在很大局限性。一是试验条件所限，一般不具有满足所有产品验证的大型设备设施；二是试验成本太高，子样数少，且由于对象自身特点，不宜研究出普遍规律；三是产品研制过程中技术状态尚未固化，试验结果在后期可能成为无效子样。鉴于此，栗永峰团队以φ150 mm圆筒为研究对象，研究了常温下T800碳纤维复合材料壳体临界轴压载荷的变化规律，并利用复合材料的可设计性，获得铺层相关参数对轴压稳定性的影响规律。
02 技术路线与难点
选用T800碳纤维混合环氧树脂进行纵环向交替缠绕，缠绕角分别为20°、30°和40°，纤维体积含量为63%。采用M40J-12k无纬布替代碳纤维以验证其对轴向刚度的贡献度。通过数值模拟、理论推导和试验验证相结合的方法，探索出适合于工程实际应用的碳纤维复合材料壳体稳定性计算方法。
数值模拟应用ABAQUS通用有限元软件。为保证有限元计算准确性，复合材料圆筒和加强铝框分别采用SC8R连续壳单元和C3D8R三维应力单元，模型一端加强框端面施加固定约束，另一端加强框端面施加单位载荷的轴向力。轴压试验时在圆筒象限线上均匀布置4组应变片，用于监测加载后圆筒的受力是否均匀。试验开始前，预先加载20 kN的轴向力，以检查应变片是否正常。正式加载时加载速度为1 kN/s，直至壳体破坏。
03 研究结果
(1)有限元计算结果未考虑产品材料缺陷和几何缺陷，计算结果较试验测试结果大。采用复合材料壳体临界轴压计算方法，修正系数取0.4的计算结果与试验测试结果接近；采用有限元计算方法，修正系数取0.7，与试验测试结果较为接近。
(2)壳体的刚度是影响壳体临界轴压的主要因素，等效轴向弹性模量对壳体临界轴压的贡献要大于等效横向弹性模量；相比提高纤维体积含量，增加0°铺层可显著提升复合材料壳体轴向刚度，且对提高刚度的贡献远大于其重量增加。因此，在壳体重量允许调整的情况下，增加0°铺层作为提高复合材料壳体刚度首选；重量要求严格时，考虑工艺上控制纤维体积含量，以提高壳体轴压承载能力。
图1 φ150圆筒临界轴压随碳纤维体积含量变化规律
图2 φ150圆筒临界轴压随纵向层缠绕角变化规律
图3 增加0°铺层与φ150圆筒临界轴压变化规律
04 下一步展望
前期，栗永峰团队开展了基于内聚力双线性模型的裙粘接性能、高温环境下复合材料壳体内压承载能力评估以及轴压和外压稳定性预示等系列研究。由于所研究问题在行业内属于基础研究，且涉及材料学、热力学、力学等多个交叉学科，有一定的难度。特别是在考虑结构完整性的复合材料壳体设计优化方面的研究深度和广度还远远不够。下一步主要研究方向可涉及以下方面内容：
（1）裙与复合材料壳体一体化优化设计
裙外侧的复合材料铺层和结构刚度，对粘接界面质量有一定程度的影响。提高二者的粘接界面承载能力，除了在工艺上保证界面的贴合度和外侧大张力捆绑外，内外侧复合材料铺层如何设计和应力如何释放，是后续需要深入研究的重点。
（2）复合材料壳体层间剪切应力测试与失效准则研究
常温下，采用网格理论基于统计的纤维发挥强度，对复合材料壳体内压承载能力的预测已基本满足工程需要，但在高温环境下，由于树脂性能已发生变化，不可避免的导致层间剪切强度也发生变化。此时，在内压作用下，层间应力很可能会导致复合材料燃烧室壳体提前发生低压破坏。特别是，采用纤维发挥强度统计值的的方法是基于工程实践总结出来的，缺乏科学有力的支撑。因此，开展燃烧室复合材料壳体内压下的失效机理研究尤为重要。
（3）耐高温树脂配方研究
当前用于复合材料壳体缠绕的树脂体系虽然得到了广泛应用，但由于其属于热固性树脂，固化温度基本为150 ℃左右，玻璃化温度为120 ℃左右，为了避免其出现“软化”，不得不通过加厚外防热层的厚度以确保结构可靠性，使消极重量进一步增加。由于纤维的耐温性远高于树脂，因此，若能进一步提升树脂的耐温性能，采用光固化、离子固化等新型树脂固化方式，可大幅提升高温下复合材料壳体的承载能力，也可进一步减小外防热层的厚度，有效降低消极重量，进而提升发动机质量比。
（4）发动机壳体在药柱支撑条件下的轴压稳定性研究
发动机固发在点火工作之前，药柱对发动机壳体形成内支撑，此时复合材料壳体圆柱段的轴压承载能力将会大幅提升。目前行业内专家学者对药柱支撑下的复合材料壳体轴压承载能力开展了部分研究，但由于试验成本昂贵，均停留在理论层面，缺乏有效的试验验证，工程研制过程中对药柱支撑所做的贡献缺乏量化的评估。随着仿真技术越来越成熟，按照固体发动机实际状态和承载历程，开展全生命周期下的稳定性研究和评估工作是十分必要的。
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