可重复使用复合材料气瓶设计及试验验证

为了适应未来重复使用运载器更高的重复使用性能要求,设计了一种航天用轻质高压可重复使用复合材料气瓶,采用金属内胆/复合材料层结构形式。复合材料采用T700碳纤维复合材料,金属内衬采用铝合金。采用有限元仿真和试验验证的方法对气瓶的强度和重复使用性能进行了分析和验证,其仿真爆破强度为81 MPa,试验爆破强度84 MPa,仿真与试验疲劳失效次数均大于1 200次。结果表明,所设计的重复使用复合材料气瓶满足23 MPa工作压力重复使用300次要求。     

卫星用复合材料气瓶性能

通过对环氧树脂、NOL环力学性能、金属内衬表面性能、复合材料真空质损和复合材料气瓶性能等进行研究和分析,研制出一种用于卫星推进系统的复合材料气瓶.结果表明:该复合材料气瓶经150次疲劳试验后爆破压强为86 MPa,容器特征系数达57.7 km,且满足真空使用环境要求.     

一种卫星推进分系统复合材料氦气瓶的结构设计方法

为了提高航天复合材料压力容器的性能因子,根据复合材料压力容器网络理论方法提出了“参数对应关系”结构设计方法,对一种卫星推进分系统复合材料氦气瓶进行了结构设计,确定了纤维复合层承载压力,得到了不同内衬壁厚情况下气瓶纤维预紧应力与内衬压缩应力、内衬工作应力、纤维工作应力的对应关系,获得了内衬最小壁厚和纤维预紧应力区间等参数,用有限元法对气瓶结构设计进行静力学分析校核,所设计气瓶完成了全部的鉴定试验,气瓶性能因子37km,爆破压力70MPa,纤维预紧应力区间为[120MPa,270MPa].设计和验证结果表明:基于网络理论的“参数对应关系”结构设计方法可用于弹性工作金属内衬复合气瓶的研制,内衬最小壁厚的精确求解对提高复合材料气瓶性能因子是有效的.     

带缺陷薄壁铝内衬复合气瓶的有限元分析

基于有限元模拟软件MSC.Marc建立了带内衬缺陷的复合气瓶有限元模型,建模过程中考虑了封头处缠绕层厚度和缠绕角沿子午线的不断变化,对封头每个单元分别定义了单元厚度及材料主方向.研究了不同位置、尺寸的内衬缺陷对内衬爆破压力、位移、应力及应变分布的影响.结果表明,当夹杂位于封头处时,长度＜112 mm的夹杂对内衬的爆破压力无明显影响;而当夹杂位于筒中部和过渡区时,随着夹杂长度的增加,内衬的爆破压力明显降低,降低幅度最高达到15％.夹杂周围会产生应力集中,夹杂处位移、应力、应变分布不均匀.应变分布规律与应力分布规律基本一致,夹杂周围三向应变等值线会发生弯曲.     

基于光纤光栅传感器的复合材料气瓶应变检测

针对复合材料气瓶应变检测的需求,提出了一种光纤光栅传感器植入碳纤维缠绕铝合金内衬的复合材料气瓶的方法,首先在室温下将光纤光栅传感器粘接在经过喷砂处理的铝合金内衬外表面,然后对粘接了光纤光栅传感器的铝合金内衬进行高温老炼,最后进行碳纤维缠绕和固化。开展了8只光纤光栅应变传感器植入复合材料气瓶的试验,其中6只传感器在复合材料气瓶150 ℃/1.5 h固化后保持存活,实现了复合材料气瓶固化、水压疲劳、高温试验等过程中的应变检测。结果表明,所提出的方法可以减小内衬的粗糙外表面导致的光纤光栅信号衰减,验证了光纤光栅传感器植入复合材料气瓶进行应变检测的可行性。     

金属裂纹板复合材料胶接修补结构裂纹扩展行为研究

为研究金属裂纹板复合材料胶接修补结构的裂纹扩展行为,进行了LY12CZ航空铝合金裂纹板碳/环氧复合材料补片胶接修复结构的疲劳性能测试试验,观察修补结构疲劳失效模式,并测量一定疲劳周次下的铝合金板的裂纹长度.建立了考虑裂纹扩展,界面脱粘两种失效模式相互耦合的三维非线性有限元分析模型,计算出不同裂纹长度对应的疲劳寿命,对修补结构的疲劳性能进行了评估,其数值计算与试验结果吻合较好.     

带缺陷薄壁铝内衬复合气瓶的有限元分析北大核心CSCD

基于有限元模拟软件MSC.Marc建立了带内衬缺陷的复合气瓶有限元模型,建模过程中考虑了封头处缠绕层厚度和缠绕角沿子午线的不断变化,对封头每个单元分别定义了单元厚度及材料主方向。研究了不同位置、尺寸的内衬缺陷对内衬爆破压力、位移、应力及应变分布的影响。结果表明,当夹杂位于封头处时,长度<112 mm的夹杂对内衬的爆破压力无明显影响;而当夹杂位于筒中部和过渡区时,随着夹杂长度的增加,内衬的爆破压力明显降低,降低幅度最高达到15%。夹杂周围会产生应力集中,夹杂处位移、应力、应变分布不均匀。应变分布规律与应力分布规律基本一致,夹杂周围三向应变等值线会发生弯曲。     

粉末冶金镍基高温合金FGH96高温疲劳寿命分散性特征

通过宽载荷水平大子样试验研究了缺陷对粉末冶金镍基高温合金FGH96的疲劳寿命分散性的影响，获得FGH96在宽载荷水平下的疲劳寿命分布特征.通过扫描电镜对疲劳失效断口进行统计分析，揭示缺陷在不同载荷条件下的作用.结果表明:①FGH96中导致疲劳失效的缺陷主要为非金属夹杂；②在高应力水平下（1200，1100MPa）下，导致表面萌生裂纹的夹杂是最差疲劳寿命的主导因素，使得疲劳寿命分散性较大；③在中间应力水平（1000MPa）下，在材料内部萌生裂纹的夹杂并不影响疲劳寿命的分散性；④在低应力水平（900MPa）下，疲劳破坏均萌生于内部，在材料内部夹杂处萌生的裂纹并不影响疲劳寿命的分散性.因此，在高应力水平下的寿命预测需要考虑缺陷信息.      

复合材料高压气瓶的碳纤维缠绕设计和ANSYS分析技术

为了获得复合材料气瓶合理的有限元分析模型,并能够有效地掌握气瓶固有的变化规律,以不锈钢316L为内衬、碳纤维(T1000GB)/环氧树脂(BA202)为复合层的高压气瓶作为研究对象,介绍了一种采用螺旋缠绕与环向缠绕组合线型的缠绕设计方法.利用该方法确定复合层厚度、缠绕角、缠绕层数等参数,运用ANSYS程序,采用薄壁壳单元shell91建立了复合层多层结构模型,得出了气瓶应力、应变分布规律,并给出了气瓶疲劳破坏点和起裂点处失效参数的变化历程,最后,将ANSYS计算结果与试验实测结果作了比对分析,为定量化研究复合材料气瓶提供准确的数据支持.研究结果表明:ANSYS数值仿真结果与试验结果吻合良好,采用壳单元shell91可以比较正确地模拟复合层的多层结构;柱形复合材料气瓶破坏薄弱点位于简体(靠封头)部位,气瓶受环向膨胀力影响较大,易使其沿纵向撕裂;随瓶内压力升高,薄壁内衬发生完全塑性变形,复合层仅发生弹性变形.     

碳纤维缠绕复合气瓶自紧力和疲劳的数值模拟

采用数值模拟方法研究了自紧工艺对碳纤维缠绕复合气瓶的应力分布和疲劳性能的影响。基于ANSYS商用有限元分析软件,考虑气瓶封头部分碳纤维缠绕层的角度和厚度沿封头子午线的连续变化,建立了有限元模型。分析验证了54 MPa自紧压力对复合气瓶零压和35 MPa工作压力下内衬和复合材料缠绕层应力的影响,并利用Coffin-Manson公式预测了复合气瓶的疲劳寿命。结果表明,自紧后复合气瓶内衬在工作压力下的最大应力减小了29.1%。有限元计算的疲劳寿命结果与实验测定结果之间的误差<8%,验证了有限元模型和计算方法的正确性。     

复合材料气瓶声发射检测初步研究

通过对十个碳纤维复合材料气瓶的声发射检测试验研究,初步探索了平面定位技术、费利西蒂比对复合材料气瓶工艺质量和损伤严重性评价的可行性,同时还摸索了复合材料气瓶压力循环疲劳过程的声发射特性.研究认为:声发射作为复合材料气瓶工艺质量和损伤严重性评价方法是可行的,平面定位结果和疲劳试验结果对气瓶质量评价有一定的辅助作用,声发射费利西蒂比值越高则气瓶损伤严重性越低.     

航天用复合材料压力容器的应用与发展

复合材料压力容器在航空航天、汽车、电子等领域具有广泛的应用,本文系统地分析了目前复合材料压力容器的材料和典型结构,阐述复合材料压力容器在航天工业的主要应用及发展方向。     

电容搪锡微裂纹原因分析及预防对策

就CC4L型高频多层瓷介电容器在手工搪锡生产过程中本体出现微裂纹、引线松动的问题,从电容的结构、特性和制造工艺等方面分析了裂纹产生的原因,并设计了五组试验对裂纹原因进行分析验证,结果表明,裂纹产生的原因是搪锡时温度过高,搪锡时间过长,并在引线上加了不恰当的外力;同时提出了预防裂纹产生的操作工艺要点。     

空间推进系统用铝内衬PBO 纤维缠绕高压气瓶的研制

以空间推进系统用高压复合材料气瓶的开发为背景,开展了PBO纤维的应用研究。分别对PBO/D-3和PBO/D-8复合材料力学性能进行了测试,获得了性能最佳的复合材料配方体系。在此基础上,将PBO复合材料用于空间推进系统用铝内衬复合材料高压气瓶,开展了2.4 L铝内衬高压气瓶的研制。结果表明:PBO(HM)/D-8复合材料力学性能最佳,其拉伸强度与NOL层间剪切强度分别高达1 397 MPa和20.2MPa,采用其缠绕的复合材料气瓶结构系数高达64.5 km。     

复合材料层合板斜接式挖补修理稳定性分析

对复合材料层合板挖补修理模型进行了参数化的有限元计算,分析了挖补修理结构失稳载荷与
挖补角、胶层厚度以及铺层方式之间的关系,得到了最优挖补修理模型。结果表明,异种材料补片会显著提高
挖补修理结构的稳定性,在一定范围内,减小胶层也会改善挖补修理结构的稳定性。当胶层厚度在0. 15 ~
0． 25 mm 变化时,随着胶层厚度减小,挖补修理结构的稳定性增强;当铺层方式为[03 / ±45/ ±45/ 90]s 时,挖补
修理结构稳定性最强。     

ZrB2 改性C/ C-SiC 复合材料性能研究

采用碳纤维复合网胎针刺预制体,通过溶液浸渍工艺制备了碳纤维增强C/C-SiC和C/C-SiC-ZrB2陶瓷基复合材料,并对材料的力学、热物理和烧蚀性能进行了分析对比。结果表明:针刺C/C-SiC-ZrB2复合材料的面内弯曲强度、厚度方向的压缩强度、层间剪切强度分别为199、274和19.3 MPa,各性能均低于对应的针刺C/C-SiC复合材料。针刺C/C-SiC-ZrB2材料与针刺C/C-SiC材料相比,热导率得到大幅度提高,而线胀系数略微有所降低。2 500 K、600 s风洞试验后,针刺C/C-SiC-ZrB2复合材料表现出良好的抗氧化烧蚀性能,质量烧蚀率约0.4×10-4g/s。     

气动压力对柔性热防护结构隔热性能的影响

提出"等效导热热阻"这一参数来反映柔性热防护结构的隔热性能,用石英灯辐射加热和机械加压的方式来模拟柔性热防护结构服役过程中的的气动热/压环境,根据所做热试验的结果数据研究了在一定温度下,气动压力对柔性热防护结构等效导热热阻的影响规律。结果表明:随着气动压力的增大,柔性热防护结构的隔热性能呈非线性下降趋势,因此在对柔性热防护结构设计时,必须考虑其服役过程中表面气动压力对其隔热性能的影响。