“柱形”铝内衬纤维缠绕复合材料气瓶自紧分析

自紧是纤维缠绕复合材料气瓶加工成型过程中的关键工序,其自紧压力大小直接影响气瓶的承压能力及疲劳寿命。本文基于复合材料层合板理论及各向同性材料弹塑性理论,采用ANSYS有限元分析软件,建立各向同性金属材料及各向异性复合材料层的有限元分析模型,对航天用53 L"柱型"铝内衬纤维缠绕复合材料气瓶进行自紧分析,研究自紧压力对气瓶铝内衬和纤维缠绕层受力状态的影响,确定气瓶最佳自紧压力。研究表明,自紧处理能显著降低气瓶铝内衬在工作压力下的最大拉应力,扩大其弹性工作范围,提高疲劳性能。     

超薄钛内衬复合材料高压气瓶力学特性分析

以卫星用超薄钛内衬T1000碳纤维增强复合材料高压气瓶为研究对象,基于各向同性材料弹塑性理论及复合材料层合板理论,建立三维有限元分析模型。通过对比分析金属内衬和复合材料层在不同内压下的位移、应力和应变分布规律,得到了这种气瓶在各承压工况下的力学特性,最后通过压力试验结果验证了有限元模型的准确性。研究结果表明:当内压超过气瓶的工作压力时,复合材料气瓶主要发生轴向变形,且内衬既有弹性变形又有塑性变形,复合材料层始终处于弹性变形。此外,气瓶爆破失效薄弱点在筒体与封头的过渡区域,在不均匀应变的作用下易沿环向发生撕裂而爆破。本文的研究成果可为超薄内衬复合材料高压气瓶的设计、试验等提供参考依据。     

碳-芳纶混杂正交三向复合材料疲劳性能实验研究

采用三维机织工艺结合树脂传递模塑(RTM)技术制备了两种碳-芳纶混杂正交三向复合材料,即z向纱均采用芳纶纤维,经纬纱分别为炭纤维和经纬纱间隔排列炭纤维和芳纶纤维的混杂正交三向复合材料,以恒定应力幅值、应力比和频率,开展了复合材料经向拉伸疲劳性能试验,通过与炭纤维复合材料的对比,分析了碳-芳纶混杂方式对复合材料拉伸疲劳性能(疲劳寿命、疲劳破坏特征和疲劳后强度/刚度)的影响。当z向纱选用芳纶纤维,面内经纬纱为炭纤维的混杂复合材料经向拉伸疲劳寿命表现出正混杂效应;当进一步混入芳纶纤维,面内经纬纱为炭纤维和芳纶纤维间隔排列正交三向复合材料疲劳寿命表现为负混杂效应,对疲劳刚度损失有一定的抑制作用。可见,炭纤维正交三向复合材料中引入芳纶纤维,对其复合材料拉伸疲劳性能有重要影响,通过设计纤维混杂方式和混杂比例可进一步提高复合材料疲劳性能。     

一种卫星用钛内衬-碳纤维缠绕复合材料气瓶特性研究

为了研究复合材料高压气瓶固有特性,针对钛内衬（TA1）/碳纤维（T1000GB）缠绕柱形复合材料气瓶进行了特性分析和应力-应变检测。总结了内衬特性和复合层特性对气瓶产生的各种影响,根据柱形气瓶环向应变和纵向应变实测数据分析了瓶体应变的变化规律和主要影响参数,找出了瓶体强度薄弱区,为结构优化和同类产品设计提供了可靠数据和理论指导。     

卫星单元肼推进系统延寿能力分析

为适应当前卫星长寿命高可靠技术发展趋势要求,通过对制约单元肼推进系统产品设计寿命的各项薄弱环节进行梳理,主要从产品的任务完成能力、环境条件适应性以及各工作模式下的功能性能保证等方面开展延寿能力分析,同时结合在轨卫星的实际运行健康状态评估结果,得出基于当前设计和工艺水平下推进系统可达到的10年在轨寿命能力.在此基础上,给出进一步提升延寿能力的研究验证建议,主要从提高单元推力器比冲、提高推进剂剩余量测算精度、开展非金属密封件长期承压条件下的密封可靠性试验、开展压力传感器的抗辐照加固设计优化、开展全寿命期间的系统性能定量评估试验等方面开展研究和试验工作.     

一种卫星推进系统复合材料氦气瓶设计及验证

在忽略内衬的条件下,对一种卫星推进系统复合材料氦气瓶进行了初步设计,并在考虑内衬的情况下,对初步设计的结果进行了详细设计和改进,获得了气瓶的内衬厚度、螺旋纤维和环向纤维厚度及缠绕角等参数。用有限元法对所设计的氦气瓶进行静力学、稳定性和模态分析,并作了完整的鉴定试验。设计和验证结果表明,基于网格理论的复合材料容器设计法可用于空间高压气瓶的设计,用有限元法对气瓶的力学性能进行分析和验证。两者结合,可有效满足复合材料压力容器设计及其分析的工程需求。     

碳纤维缠绕复合气瓶的有限元数值分析

在仅考虑内压作用下,参考DOTCFFC标准对碳纤维缠绕压力容器在不同工况的应力、应变分布进行了有限元数值模拟研究。采用MSC.Marc大型有限元程序建立纤维缠绕复合材料气瓶的有限元模型,建模过程中将纤维缠绕层视为复合材料层合板处理,并对封头处缠绕层厚度及缠绕角进行简化处理。通过有限元数值计算,确定了气瓶的最佳预紧压力。计算中考虑了纵向缠绕角的变化在爆破压力下对气瓶的影响。数值计算结果表明:气瓶的应变以瓶身中部和肩部两侧的环向处应变最大,而气瓶肩部的变形并不明显。通过气瓶承受内压爆破试验的实验验证与数值计算结果基本符合,表明模型的简化和建立是合理可行的。研究结果为复合材料气瓶的优化设计提供了理论依据。     

宇航用球栅阵列器件装联可靠性评价方法初探

针对球栅阵列(BGA)器件装联可靠性问题多发的现状,对常见宇航用BGA器件的结构及可靠性问题进行分析总结,并提出了一种基于失效物理的宇航用BGA器件装联工艺可靠性评价思路。通过案例分析,结合构成器件的元件和材料的典型特性,获得BGA器件常见失效模式及失效机理;并针对典型失效模式及机理选取疲劳寿命模型进行建模及仿真,依据Coffin-Manson的疲劳失效物理模型及其修正模型,得到工作寿命和试验寿命的预估结果;结合现有检测手段,综合考虑寿命预估结果,提出装联工艺可靠性评价试验项目,建立可靠性考核试验流程;基于国内外现有标准判据确定参考依据,综合考虑不同型号及应用环境的工作应力差别,提出BGA器件的可靠性分级评价量化准则。     

复合材料气瓶制造工艺管理研究

依据复合材料气瓶的结构特性和使用要求,从工艺设计、原材料控制、工艺过程控制、工艺改进等方面开展复合材料气瓶制造工艺管理研究,建立了复合材料气瓶制造工艺管理体系。按照该体系开展工作,可以提高复合材料气瓶过程控制能力和生产效率,降低质量风险,确保制造的产品质量满足设计要求。     

球形高压复合材料缠绕气瓶的缠绕层结构研究

对球形高压复合材料缠绕气瓶缠绕层结构进行了理论分析,并根据气瓶受力分析及其网格理论的计算方法,编制了一套计算软件程序,按此软件程序计算了气瓶缠绕层结构,利用ANSYS大型有限元程序建立气瓶缠绕层模型并进行了强度校核,经过鉴定试验分析,验证了气瓶缠绕层工艺结构设计的合理性。     

冲压发动机管路断裂故障分析及结构改进

针对发动机管路系统断裂故障,开展故障机理分析。通过软件仿真和试验相结合的结构模态分析,找出模态振型与疲劳破坏的联系,对管路结构断裂故障原因进行初步定位和定性分析。利用ANSYS nCode DesignLife软件对结构开展随机振动疲劳寿命计算,总结了随机振动疲劳计算流程和设计方法。仿真预示的管路结构断裂位置与试验结果基本一致。提出多个结构改进方案,利用振动疲劳仿真计算对不同改进结构进行定量的疲劳寿命预测,优选出最佳方案。优化方案提高了管路结构的抗振性能,降低了RMS应力值和损伤,在主要破坏工况(x向振动)疲劳损伤寿命提高到3.2×107 s,其余振动方向疲劳损伤寿命分别提高到202%(y向)和190%(z向)。通过试验考核验证改进措施有效。     

复合材料气瓶有限元分析与爆破压力预测

利用ANSYS大型有限元程序建立了复合材料气瓶的有限元模型,建模中将纤维缠绕层作为复合材料层合板处理,考虑了封头处缠绕层厚度及缠绕角沿子午线不断变化的情况。针对建立的模型进行了气瓶在几个工况点下的变形分析,利用最大应变准则预测了气瓶的爆破压力。通过分析结果与相应试验结果对比,验证了建模与分析方法的正确性。     

火箭发动机涡轮叶片疲劳寿命可靠性分析

由于生产加工和使用过程中材料属性、结构尺寸以及工作载荷等的随机性,疲劳寿命通常存在较大的分散性。考虑结构几何参数、材料属性、工作载荷等变量的随机性,采用Monte Carlo模拟法与响应面法相结合,对液体火箭发动机涡轮叶片进行概率疲劳寿命分析,确定了涡轮叶片疲劳寿命可靠度模型,并分析了疲劳寿命对各随机变量的敏感度,以及变量分散度对疲劳寿命的影响。结果表明:疲劳寿命呈偏态分布;涡轮入口温度对叶片疲劳寿命影响最大,材料的低周疲劳性能参数对寿命影响较大,转速及热膨胀系数对寿命有一定影响,而其他参数对寿命的影响小;控制变量分散度是提高叶片安全寿命的有效途径,对单变量而言,控制涡轮入口温度分散度效果最显著。     

疲劳S-N曲线拟合的双加权最小二乘法

为充分利用疲劳试验数据,获得较高精度的S-N曲线,本文提出一种融合成组疲劳试验数据和疲劳强度试验数据拟合S-N曲线的双加权最小二乘法。该方法充分考虑了疲劳试验方法、疲劳试验数据分散性和试验件样本容量对S-N曲线的影响。它首先考虑试验样本容量对试验结果分散性的影响,对S-N曲线进行第一次加权拟合。然后分别考虑疲劳寿命和疲劳强度的分散性以及试验件的数目的影响进行第二次加权拟合,从而得到材料或构件的S-N曲线。本文进行了大量的S-N曲线的统计分析,结果表明拟合得到的S-N曲线具有较高的精度和可信度。     

纳米材料提高碳/环氧复合材料抗紫外辐照性能研究

随着对长寿命、高可靠卫星的需求增加,中国卫星上常用的碳/环氧复合材料的抗空间紫外辐照性能研究极为迫切。利用强吸收紫外辐照的纳米材料来改善复合材料结构抗空间紫外辐照能力是提高卫星可靠性、延长寿命的有效途径。通过环境模拟实验取得了初步结果。     

航天器用固态功率放大器加速寿命试验方法研究

针对航天器电子产品的寿命预示问题,文章指出对航天器电子产品开展加速寿命试验(ALT)研究,首先要利用故障模式、机理及影响分析(FMMEA),确定产品的主要失效机理和敏感应力;然后利用理论分析或可靠性强化试验确定产品的工作极限;最后设计出完整的试验方案。针对航天器固态功率放大器进行试验,验证了加速寿命试验在航天器电子产品中的适用性。     

某气瓶结构振动断裂故障分析及改进措施

分析了某气瓶在振动试验中出现的耳片断裂故障,从结构动力学的角度揭示产品破坏的根本原因,给出改进思路,并结合实际产品提出多种修改模型,然后通过动力学仿真计算进行改进效果的对比,从而确定最佳的修改方案.最后,对改进后的气瓶结构进行随机振动试验,试验结果表明：振动过程中,气瓶改进结构在原结构破坏位置的动应力得到明显的降低,避免结构疲劳破坏,改进可行有效.     

弯-弯疲劳加载对2D-C/C复合材料热膨胀性能的影响

研究了2D-C/C复合材料的热膨胀性能以及疲劳加载条件对其热膨胀性能的影响规律,分别进行了应力水平为70%、90%及循环周次为104、5×104、1×105和1.5×105次的弯-弯疲劳试验,并随后测试其热膨胀性能。结果表明,疲劳加载并没有改变其热膨胀性能随温度升高而增大的变化规律,但对比不同疲劳加载条件下2D-C/C复合材料的热膨胀性能,可发现疲劳加载后试样的热膨胀性能随着应力水平和循环周次的增大有降低趋势。经分析认为,这主要是由于疲劳加载过程中产生的各种疲劳损伤所致。     

碳纤维外缠绕的轻质纤维/金属压力容器

最近研制的轻质纤维/金属复合材料压力容器用的高强度碳纤维已通过了试验鉴定。对碳纤维性能、小试验气瓶性能、圆筒体性能、球体性能和低温贮箱性能等也进行了测量。试验结果与金属压力容器及其它纤维/金属压力容器结构进行了比较。碳纤维/金属圆筒压力容器和球形压力容器与以前性能最好的凯夫拉49/金属复合材料结构相比,其实际性能提高23％以上。     

HALT试验高效率温度剖面图的建立

HALT是一项崭新的可靠性试验技术，具体实施还缺乏系统的理论指导。以在电子设备可靠性中起重要作用的焊点为研究对象，采用非线性有限元方法，分析了有引脚PQFP和无引脚EBGA两类典型器件的焊点在热循环载荷作用下的应力应变特点，研究了热循环试验温度剖面参数包括高低温端点温度、高低温保持时间、温变速率对这两种典型焊点的弹性应变范围、塑性应变累积、疲劳寿命和试验效率的影响，归纳了电子设备HALT可靠性试验优化温度剖面图的建立方法。