密封用硅橡胶老化过程宏观微观特性相关性

开展了密封用某型硅橡胶胶片试件的热空气加速老化试验,对不同等当老化年份下的试件进行了单向拉伸测试和元素分析,获得了老化过程中应力应变数据以及关键元素浓度变化数据;在不同等当老化年份下宏观力学性能及微观化学数据分析的基础上,研究了本构参数与等当老化时间的函数关系以及老化效应与等当老化时间的函数关系,进而建立了宏观力学行为与微观化学变化的相关性模型。某硅橡胶密封圈的应用表明,基于宏观、微观相关性的本构参数插值,应力应变数据与同批次材料100%应变范围内的最大偏差约为7.6%。     

柔性接头弹性件超弹性本构参数拟合和低压摆动非线性有限元分析

依据非线性力学理论,通过单轴拉伸试验获得了柔性接头弹性件超弹性Mooney-Rivlin模型常数,作为有限元计算的输入,同时对柔性接头冷摆时的载荷进行了分析处理,有限元模拟了柔性接头的冷态摆动,重点分析了柔性接头弹性件和粘接面的柯西剪应力和轴向应力。结果表明,0.15 MPa容压下摆动,粘接面的轴向柯西应力大于剪应力,是柔性接头粘接面破坏的主要原因,计算与实际情况吻合性较好。     

EPDM包覆层热解状态下的力学行为及本构模型

为了准确描述固体火箭发动机三元乙丙(EPDM)包覆层在不同热解状态下的力学特性,通过热重分析的方法得到EPDM的热解温度范围,并采用准静态单轴拉伸实验的方法获得EPDM在不同热解温度下的应力-应变曲线。以Ogden(n=2)模型为基础,分别对不同热解状态下的力学曲线进行建模,并通过对实验数据的拟合获得模型参数。结果表明,在初始热解状态下,材料只发生了少量的失水和气体的逃逸,其力学行为可通过粘超弹本构模型进行描述;随着材料热解程度增加,基体材料和填充纤维均遭到破坏,其力学行为表现为超弹脆性材料特性。     

EPDM绝热层低温拉伸力学性能研究

绝热层的低温力学性能决定了其最低使用温度。为改善三元乙丙(EPDM)绝热层的低温力学性能,研究了测试温度、拉伸速度和配方组成对其低温拉伸力学行为的影响。结果表明,测试温度对EPDM绝热层的拉伸力学行为影响明显,100 mm/min拉伸速度下,测试温度从室温降低至-60℃时,绝热层的抗拉强度不断增加(6→33 MPa),断裂伸长率显著下降(670%→42%),应力-应变曲线出现明显的应力屈服,初始模量显著提高。温度越低,拉伸速度对绝热层应力-应变曲线形态的影响越明显;应力屈服对拉伸速度具有更大的依赖性,提高拉伸速度与降低温度的效应相似。EPDM橡胶基材结构参数对绝热层低温力学性能的影响较明显,橡胶第三单体含量越高,乙烯含量越低,低温力学性能越差;纤维的加入进一步束缚了橡胶分子链段在低温下的活动能力,应力-应变曲线变化亦与降低温度效应相似;补强填料对绝热层的拉伸应力-应变曲线形态影响较小。总体而言,EPDM绝热层在其玻璃化转变温度-40℃附近仍具有较好的力学性能,断裂伸长率仍可达300%以上;当温度降至其脆性温度(约-55℃)以下,断裂伸长率降至极低值,材料不再具有高弹性。     

长寿命航天器结构密封性能仿真分析研究

硅橡胶密封圈的力学性能会随着工作时间的增加而发生退化,本文首先初步分析硅橡胶的热氧老化机理,然后对硅橡胶材料在热氧加速老化试验前后的特性参数进行分析对比,并借助非线性有限元分析软件ABAQUS对由该种材料制成的O形圈老化前后的最大接触应力等力学参数进行分析计算,最后讨论了这些参数变化对结构密封效果的影响。本文的研究结果可为长寿命密封圈设计提供参考。     

EPDM绝热层的粘超弹本构模型

为了准确描述固体火箭发动机内三元乙丙(EPDM)绝热层在有限变形下的力学特性,主要通过多步松弛和单轴拉伸2种实验方法,获得平衡响应曲线和拉伸曲线。分别采用Ogden模型、Mooney-Rivlin模型,对平衡响应曲线进行拟合,并以此为基础,引入应变率参数μ来描述EPDM在单轴拉伸实验中的率相关特性,从而建立了EPDM在准静态单轴拉伸条件下的本构模型。研究结果表明,本文所建立的模型能很好地描述EPDM在准静态条件下的力学特性,通过该模型,也可在有限应变率范围内预测EPDM的应力响应特性。     

柔性基体TWF复合材料弹性性能研究

利用碳纤维三向编织物（Triaxial Woven Fabric TWF）作为增强材料，与合适的柔性基体材料（例如硅橡胶）复合，制成兼具一定柔性和刚性的碳纤维三向编织物复合材料壳膜结构，作为可折叠展开的卫星天线反射器，是一种新型的高精度可展开天线实现方案。文章对采用硅橡胶的TWF复合材料进行了弹性性能的研究。采用细观方法，通过研究纤维和基体之间的相互作用，确定复合材料宏观力学性质与组份材料特性及细观结构之间的定量联系，对表征编织复合材料结构特性的三维单胞进行了均匀化有限元分析，最终将得到整个复合材料的弹性模量。首先，考虑纤维束交织情况（起伏波动）对单胞进行了精细几何建模，通过混合规则得到纤维束的材料特性；接下来，对单胞进行了有限元的分析，施加周期性边界条件，应用均匀化的方法通过6个独立加载分析得到体积平均应力、应变，从而得到刚度矩阵，最终获得工程常数。目前国内外对于柔性基体TWF复合材料的研究较少，对该材料弹性性能的研究，为今后该材料性能的进一步深入研究打下了坚实基础。     

复合材料壳体固体发动机药柱工作内压三维结构分析

对复合材料壳体的固体发动机药柱在工作内压作用下的变形和三维应力、应变进行了计算。复合材料壳体简化为正交各向异性结构，确定其弹性材料常数和材料的主轴方向，壳体变形计算和多次水压测试结果基本一致，在此基础上进行了药柱的三维应力、应变分析，为药柱完整性分析提供了参考。     

紫外辐照影响硅橡胶出气污染模型及效应研究

基于有机材料出气污染过程分析,并结合辐射化学有关理论,建立材料在紫外辐照后的分子污染模型;在ASTM E1559标准测试方法的基础上,以硅橡胶材料为污染源开展试验,测试其经过不同紫外辐照时间后的出气污染沉积量,并对辐照后材料表面的微观特性进行测试分析。根据沉积量测试结果对模型待定参数进行拟合,并结合微观测试结果,分析得到紫外辐照导致硅橡胶分子链中Si-O键以及Si-C键断裂,且部分小分子物质提前挥发,从而使得出气成分中小分子污染物含量下降,大分子污染物含量上升,并最终导致总污染量在前期有所下降,在后期显著增加。     

三维五向编织复合材料宏细观力学性能分析

基于三维五向编织复合材料的细观结构胞元,采用细观有限元方法建立了材料宏观等效弹性性能的力学分析模型。模型数值结果与拉伸试验数据基本吻合,说明模型可用于该材料的宏观力学性能预测。经分析其细观应力分布及变形,表明基于胞元分析的力学模型能有效预测含周期性结构材料的细观力学响应。由于该模型能给出较为合理的细观应力应变场,为进一步开展三维五向编织复合材料的失效分析奠定了基础。
     

橡胶"O"形密封圈结构参数和失效准则研究

利用大变形、接触的非线性有限元理论建立了某固体火箭发动机密封结构的二维轴对称模型,用有限元软件计算出该结构在工作状态下的变形和应力。通过计算可知,在橡胶“O”形密封圈与上下法兰接触的位置产生最大的接触压应力,在密封槽槽口转角位置产生最大的剪切应力。对密封性能的各结构参数进行了分析,讨论了上下法兰张开间隙、初始压缩率、密封槽槽口及槽底倒角半径、密封槽宽、密封圈材料等典型参数的影响:上下法兰张开间隙、密封圈的初始压缩率对最大接触压应力的影响较大,而密封槽槽口和槽底处倒角半径对剪切应力影响明显。三维壳体结构的有限元分析结果表明,上下法兰在内压作用下产生不均匀的张开间隙,体现了三维结构的特点。不均匀的张开间隙与二维轴对称结果对比可知,以最小间隙作为设计间隙,二维轴对称分析模型可取代三维模型来分析该结构的密封性能。最后,确定了“O”形圈密封结构的最大接触应力和剪切应力失效准则。     

长服役期橡胶密封性能分析与寿命评估

鉴于在橡胶密封性能分析过程中鲜有考虑长期老化效应影响,文章首先基于时温等效理论,构建考虑热氧老化效应的橡胶密封性能分析理论模型,并采用该模型研究不同压缩率和性能变化指标对橡胶接触性能的影响规律。然后,建立橡胶密封计算的平均接触压力与试验测试的橡胶密封泄漏率间的函数关系,并将采用这一关系预测的橡胶密封的泄漏率与试验测试结果进行对比。最后,拟合橡胶密封泄漏率与老化时间之间的函数关系,经外推,实现对O形橡胶密封寿命的精确预测。     

空间环境用耐低温硅橡胶密封材料研究

文章介绍了国内外对耐低温硅橡胶的研究进展,并结合已在空间环境应用的6710耐低温硅橡胶的各项性能和密封试验验证结果,指出耐低温硅橡胶在卫星结构、飞船驱动机构、空间对接、飞船生保系统等空间领域中得到了广泛应用.随着空间站、深空探测等任务对更低温度密封需求的增加,需开展耐更低温度硅橡胶材料的研制及其在空间环境下的演化规律的...     

宽温度柔性接头用硅橡胶弹性材料研究

硅橡胶高低温性能优异,可作为宽温度柔性接头用首选弹性材料。通过分析补强剂、增塑剂、硫化剂等对硅橡胶性能的影响,优化硅橡胶配方,提高低模量硅橡胶力学性能。结果表明,在甲基乙烯基硅橡胶中加入35~40份(质量份,下同)高补强气相白炭黑、0.3~0.5份硫化剂,同时添加适量增塑剂,研制的硫化硅橡胶剪切模量稳定在0.25~0.30 MPa内,力学性能比4#白炭黑补强硅橡胶有较大幅度提高。采用有机硅改性环氧胶粘剂进行硅橡胶硫化胶与金属试片粘接,两板拉伸剪切强度达到3.0 MPa,改善了硅橡胶与其他材料的粘接可靠性。     

压力对膜盒式端面密封平衡直径的影响

膜盒式端面密封在低温液体火箭发动机涡轮泵中有着广泛的应用,作为直接影响密封工作稳定性及涡轮泵工作可靠性的重要参数,端面比压、膜盒平衡直径等如何选取一直是密封设计的重要工作.以某型低温液体火箭发动机涡轮泵的膜盒式端面密封为研究对象,研究压缩量、工作压力对膜盒应力分布、平衡直径、载荷系数和端面比压的影响.应用有限元法建立了...     

柔性接头用低模量硅橡胶配方及界面粘接技术研究

研究了硫化剂、增粘剂和补强填料等组分对一种低模量、低硬度和高强度的硅橡胶配方力学性能的影响规律,同时研究了一种胶粘剂配方来满足硅橡胶与金属钢界面粘接的工艺要求。该硅橡胶配方的剪切模量小于0.3MPa,与钢界面粘接的剪切强度大于2.5MPa,满足柔性接头部件的性能要求。     

液体火箭发动机涡轮泵机械密封磨损机理研究

对比分析了机械密封静环端面原始表面和磨损表面形貌,得到了磨损形式和内外径磨损差异;仿真分析了密封端面接触应力及温度场,分析了转速、介质压力等条件对端面接触应力和温度场的影响;探明了端面接触应力和温度变化对磨损性能的影响,阐述了机械密封的磨损机理。     

膜盒式机械密封阻尼设计研究

针对膜盒式机械密封膜盒存在疲劳裂纹的问题,以焊接膜盒为研究对象,在分析研究机械密封动力学模型的基础之上,提出了用增加阻尼来提高膜盒抗疲劳裂纹能力的方法,并给出了膜盒式机械密封阻尼设计规范,带阻尼的膜盒式机械密封通过了模态、振动试验和发动机热试车考核,并已应用到发动机的设计中。     

固体推进剂贮存寿命非破坏性评估方法(II)——动态力学性能主曲线监测法

对动态力学性能和静态力学性能的关系进行了理论分析,认为二者之间存在对应关系。通过对采用动态力学分析(DMA)法得到的动态储能模量主曲线和材料试验机得到的静态松弛主曲线进行对比,验证了这种关系。提出了根据动态和静态力学性能关系,利用动态储能模量主曲线得到静态松弛模量和静态强度,以评估推进剂老化状态的非破坏性方法。预测值和实测值的比较结果显示,该方法能够较好地评估推进剂的寿命状态。