纺丝工艺对炭纤维缠绕复合材料强度转化率的影响

通过不同纺丝工艺的聚丙烯腈基炭纤维表面状态、NOL环及Φ150 mm容器的实验研究,分析了不同纺丝工艺对湿法缠绕复合材料聚丙烯腈基炭纤维强度转化率的影响。结果表明,干喷湿纺炭纤维比湿法纺丝Φ150 mm容器环向纤维强度转化率要高出11.9%~15.4%,湿法纺丝的炭纤维复合材料NOL环层间剪切强度要比干喷湿纺炭纤维复合材料高7.4~34.1 MPa。因此,干喷湿纺的炭纤维可应用于固体火箭发动机缠绕壳体、压力容器等主要承受拉伸应力的领域,可充分发挥其纤维强度;而湿法纺丝工艺制成的炭纤维与树脂基体结合紧密,利于载荷的传递,可应用于承受压缩剪切等复杂载荷的领域,从而发挥这两种纤维各自不同优势。     

炭纤维/聚醚醚酮复合材料的激光原位成型工艺探究

为扩大热塑性树脂基复合材料在航空航天领域的应用,选择了一种具有优异力学性能和热性能的聚醚醚酮树脂作为基体,对激光原位成型技术在热塑性树脂基复合材料成型的可行性进行探索。采用溶液浸渍法制备T700炭纤维/聚醚醚酮预浸胶带(预浸带),通过激光原位成型方式缠绕制备T700炭纤维/聚醚醚酮复合材料NOL环(NOL环),探索不同成型工艺条件下NOL环的层间剪切性能,优化出适宜的激光原位成型工艺参数。结果表明,预浸胶带在含胶量为33.6%时韧性好,并且具有较好的拉伸性能;通过层间剪切性能测试,当缠绕速度为3 m/min、激光输出电流为40 A、芯模温度为290℃、压辊压力为150 N时,激光原位成型的NOL环层间剪切性能较为优异,这为激光原位成型热塑性树脂基复合材料在固体火箭发动机复合材料壳体上的应用提供了工艺参考。     

连续纤维增强PEK-C复合材料缠绕成型工艺及性能研究

利用在线溶液浸渍法制备预浸带,采用原位固结的方式进行连续玻璃纤维增强PEK-C复合材料的缠绕成型工艺研究.分析了缠绕速度、加工温度及树脂含量等因素对NOL环层间剪切强度的影响,研究发现在一定的缠绕速度和加工温度范围内,可制得性能良好的NOL环缠绕构件.SEM断口形貌分析表明,树脂和纤维分布均匀,界面粘接良好.该方法的研...     

圆柱形厚壁缠绕件的环向缠绕张力分析的逐层叠加法

为实现不同梯度剩余张力的缠绕张力设计,揭示缠绕过程中的张力变化规律,提出逐层叠加法,研究可变形厚壁筒上环向缠绕张力与剩余张力之间的关系。基于不同材质的双层筒在外压作用下的变形和应力,获得剩余张力下降量与缠绕张力的积分关系,计算各层缠绕张力产生的外压引起内缠绕层环向应力的下降量。进而给出剩余张力函数,获得线性锥度缠绕、等张力缠绕和等力矩缠绕条件下的剩余张力解析公式。将缠绕张力与剩余张力的积分关系式化为微分方程,求解出缠绕后等剩余张力的缠绕张力解析公式。通过钢带缠绕容器和有芯模的纤维缠绕筒的等张力设计对比研究表明,该文解析公式给出的张力设计方案与现有文献完全吻合。文中模型从理论上很好地解决了柱形缠绕件的环向缠绕张力分析问题,适用于各向同性材料厚壁筒和纤维缠绕薄壁筒的缠绕分析和设计。     

复合材料带缠绕成型过程建模及工艺参数优化

复合材料带缠绕成型过程中,成型工艺参数的选取决定了缠绕制品的性能。采用正交实验法研究各工艺参数对缠绕制品层间剪切强度的影响规律和敏感度,并将正交试验数据与神经网络理论相结合,对带缠绕成型过程进行建模,得到缠绕成型工艺参数与层间剪切强度之间的非线性映射关系,并通过实验验证了模型的可靠性。在此基础上,利用粒子群优化方法在可行工艺参数域内对缠绕成型工艺参数进行优化。仿真与实验结果表明,基于神经网络模型的工艺参数粒子群优化算法能够快速、准确的得到带缠绕成型的全局最优工艺参数组合。使得缠绕制品层间剪切强度达到最优的工艺参数组合为:加热温度115℃,缠绕张力357 N,压辊压力1006 N和缠绕速度0.28 m/s,在最优工艺参数作用下,缠绕制品的层间剪切强度达到102.2 MPa。     

基于温度及芯模变形作用的复合材料缠绕张力设计

基于复合材料缠绕成型过程对工艺参数的要求,针对缠绕过程中芯模变形和加热温度对缠绕层应力分布影响等问题,建立温度和芯模变形作用下的缠绕张力设计数学模型。研究了温度引起缠绕层的应力分布解析模型,分析了缠绕内层和芯模在外层压力影响下制品的应力分布,结合3种典型的张力缠绕模型,研究了芯模内外径比以及张力锥度系数对缠绕层剩余张力的影响。提出实现缠绕制品等剩余张力下,初始缠绕张力和温度的理论关系。计算解析解与现有文献一致,文章考虑芯模变形和温度对制品应力影响,计算方法更符合实际,研究结果可用于缠绕张力设计和固化应力分析。     

碳纤维缠绕壳体芯模及成型工装设计

对某缠绕壳体芯模形制的选择及芯模成型工装的设计进行了分析和探讨,提出了金属骨架石膏面层可拆卸芯模成型设计方案。通过对芯模金属骨架和刮刀的精心设计,重点考虑芯模骨架组装和可拆卸以及装配制造精度,解决了石膏芯模刮制成型技术问题,实现了缠绕壳体内型面及尺寸的精确控制。     

纤维缠绕壳体的成型工艺

主要针对纤维缠绕壳体试验缩比件的成型工艺（包括芯模制作、容器缠绕成型）以及缠绕工艺参数的合理选择进行了初步探讨。     

缠绕工艺关键参数对T800碳纤维复合材料壳体强度的影响

纤维缠绕工艺是影响固体火箭发动机复合材料壳体强度的重要因素,缠绕工艺参数对不同复合材料制备的壳体强度影响不同。基于网格理论,使用LS＿DYNA进行不同缠绕工艺参数下的壳体强度仿真,开展水压爆破实验,从而研究不同缠绕工艺参数对国产T800碳纤维复合材料缠绕壳体及东丽T800碳纤维复合材料壳体强度的影响,并进行对比分析。结果表明,对于国产T800碳纤维缠绕壳体和东丽T800碳纤维缠绕壳体,[90,±29,90]类型的铺层顺序下壳体破坏区域所受的应力较[±29,90,90]类型的铺层顺序更小;8 mm纱带宽度可以减少纱带间的搭接,提高壳体成型强度。[90,±29,90]的铺层顺序和8 mm的纱带宽度对于国产T800碳纤维复合材料壳体强度发挥更为有利,同时验证了国产T800碳纤维缠绕壳体强度能够满足设计要求。所得纤维缠绕工艺关键参数及结论,可为国产T800碳纤维壳体的设计应用提供借鉴。     

一体化包覆药柱缠绕应力的数值计算

固体火箭推进剂应用广泛,基于一体化包覆纤维缠绕工艺,对药柱缠绕过程进行数值模拟应力计算。利用ABAQUS建立有限元模型进行数值计算,对药柱各节点应力进行分析。基于实际工况列出预紧力、药柱位移速度、药柱旋转速度、纤维带宽四个工艺参数,对缠绕过程进行动态仿真模拟,同时通过静态模拟多层缠绕工况。计算结果表明,单圈缠绕结束后药柱主体应力在0.060～0.120 MPa内,最大应力为0.202 MPa;预紧力和纤维带宽对于缠绕应力的影响较大,预紧力越大,应力越大,而纤维带宽越宽,应力越小,药柱移速和转速对缠绕应力影响较小;多层缠绕时药柱应力大小会随着缠绕层数的增加而上升,上升速度越来越慢,16层时最大应力可达0.338 MPa,研究结果及数据对于带药纤维缠绕工艺具有支撑借鉴意义。     

推进剂药柱界面粘接优化工艺

为了提高某推进剂药柱界面粘接的可靠性,对粘接工艺进行了优化:调整工艺流程,改变JX胶粘剂的固化条件,使用表面处理剂,测试了界面粘接强度,完成了发动机的工艺试验。对粘接好的产品进行了振动、冲击、离心等环境试验及火箭撬试验。结果表明,优化工艺后,可以获得良好的粘接强度和工艺性能,能够满足使用条件苛刻的带NBR绝热套推进剂药柱与发动机壳体之间的粘接,达到总体技术要求。     

新型国产芳纶Ⅲ纤维的性能实验研究

测试了7批次新型国产芳纶Ⅲ纤维的复丝拉伸性能,且采用第07批次的芳纶Ⅲ纤维进行缠绕制作了NOL环试样和150 mm试验容器。实验结果表明,第04批、06批、07批芳纶Ⅲ纤维复丝强度平均值达到4 535 MPa以上,弹性模量大于139 GPa,这些性能与Armos(2A)纤维相当,断裂延伸率较Armos(2A)纤维低,约为2.9%~3.3%。芳纶Ⅲ纤维单向复合材料的拉伸性能也与Armos(2A)纤维相当,但层间剪切强度较Armos(2A)纤维低很多,150 mm国产芳纶Ⅲ纤维试验容器性能有高有低,表明芳纶Ⅲ纤维的成型工艺性差,线密度太低且不均匀,另外与树脂浸润性差,层间剪切强度低,有待于进一步优化成型工艺参数。     

纤维缠绕复合材料壳体热承载能力分析方法及应用

提出了一种固体发动机纤维缠绕复合材料壳体热承载能力分析的工程方法。针对某发动机燃烧室纤维缠绕壳体材料,利用NOL环试样测定了不同温度下的强度保持率,计算了其热承载能力,并结合缩比容器的高温强度试验对其进行了验证,理论分析结果与试验结果误差为7%;最后,利用所提方法预估了某发动机壳体结构的高温承载安全系数,该发动机通过了飞行试验考核,验证了该分析方法的有效性。     

高性能战术导弹发动机的研制

根据空军火箭推进实验室的合同 F021611—78—C0061,已研制了一种固体燃料火箭发动机,用于空中发射高性能战术导弹。该发动机采用了凯夫拉纤维缠绕壳体,高固体含量的 HTPB 推进剂,直径为20.5英寸。它包括连接凯夫拉壳体的飞机发射吊耳连接器,塑料的火箭式点火器,EPDM 绝热层和含90%固体,其中22%铝粉的推进剂配方。到目前为止,已制造了五台壳体,其中两台为发动机。一台已进行了水压爆破试验,有两台以假发射/系留飞行加载的安装形式进行结构试验,两台用作发动机,并在环境温度和一65℉温度条件下成功地进行静态试验。低温发动机试验包括在燃烧初期和末期有两次感应冲击脉冲,以便试验弹道稳定性。发动机的性能极好,得到的比冲与予计的相同。全面鉴定了高固体含量 HTPB 推进剂(TP—H1203)在-65℉温度下的力学性能。对推进剂的松弛模量、双轴拉伸,高速/加压的单轴拉伸性能进行了测量;还对裙部剪切强度,人工脱粘的拉伸强度及绝热层/包复层/推进剂系统之间的模拟人工脱粘端面强度进行了测量。由于发动机和推进剂的实验成功,因此,研制计划扩大了。其中包括将壳体结构重新设计以便完全适合于系留飞行加载环境,并解决在结构加载试验中所发现的强度/刚性问题。这一新的工作将包括另外制造两台壳体,进行结构试验及实验室材料试验和缩比的结构评价等项目。石墨纤维将与凯夫拉为基的叠层片成为整体,使壳体结构足以承受局部超过37,000磅的径向载荷。     

复合固体推进剂增材制造技术研究进展

将具有颠覆性的增材制造技术(3D打印技术)应用于复合固体推进剂领域,相比于传统设计和生产工艺,增材制造技术不受装药芯模限制,可设计生产出药型结构复杂、推力可变的药柱,能够大幅缩短工艺周期,提高生产效率和安全性,并有望实现一体化打印成型。综述了国内外增材制造用复合固体推进剂配方设计及药柱性能、增材制造工艺、增材制造系统方面的研究进展。由于复合固体推进剂药浆的粘性和含能特点,目前大部分研究聚焦在材料挤出成型工艺改进及其相应的复合固体推进剂配方调试、打印药柱的性能提升方面。亟需解决大型复杂药柱配方设计、固化时间长、药柱易变形等一系列问题,以实现复合固体推进剂增材制造工程化应用。     

航天飞机纤维缠绕壳体的抗压强度研究:第一部分—试验

航天飞机起飞的瞬间,其主发动机的点火给予固体火箭助推发动机的纤维缠绕壳体一个很大的弯矩,使复合材料壳体的尾部受到了很大的压缩载荷。由于连接的需要,复合壳体尾部具有很复杂的设计,涉及到嵌入的布带和螺旋层减薄问题。为了研究发射瞬间加载状态下的纤维缠绕壳体性能,开始了试验和分析的综合研究。本文将叙述试验计划的研究结果,包括几台全尺寸和300多台缩比壳体的试验。该计划从短期研制工作开始,其目的是要确定适合的缩比试验样品,以便测定材料的抗压强度。一旦缩比样品确定之后,就开始实施更全面的试验计划来确定缠绕壳体的工艺和设计参数变化对强度的影响。为了验证分析预测的有效性,在模拟发射瞬间的弯曲状态中进行了全尺寸壳体试验。在所有的试验中特别注意观察壳体破坏的顺序,即载荷从螺旋层薄弱部位传递到坚固布带终止部位的复杂过程。     

大型玻璃纤维/环氧复合材料壳体开孔补强工艺技术研究

简要介绍了壳体开孔处的补强方法,采用补强环对某大型玻璃纤维/环氧复合材料壳体前封头开孔进行合理补强。试验结果表明:对壳体开孔部位采用补强环补强比用补强布补强的效果好,壳体纤维铺层设计与补强有机地结合是带有多喷管壳体优化设计的重要方法。壳体在前封头开孔进行合理补强后,纤维发挥强度提高约12%;壳体水压爆破时封头、筒身段同时破坏,纤维强度得以充分发挥。     

纤维缠绕圆锥壳体设计分析

以纤维缠绕结构的网格理论为基础,建立了纤维缠绕圆锥壳体在内压作用下的平衡方程。求解该方程,得到了纤维应力、纤维厚度和均衡缠绕角的解析解。对螺旋加环向缠绕,从圆锥大端到小端,纤维厚度和均衡缠绕角逐渐增大,纤维应力逐渐减小。利用最大应力强度准则,得到了单一螺旋缠绕及螺旋加环向缠绕圆锥壳体爆破压强的计算公式。为了使计算的爆破压强与实际结果相符合,纤维发挥强度的选取必须由模拟实验确定。     

HTPB推进剂“脱湿点”及快慢组合拉伸研究

针对空空导弹发动机对药柱结构完整性分析的特殊需求,开展了复杂载荷下某新型HTPB推进剂的力学性能试验研究,分别进行了不同温度环境下,推进剂单轴定速及快慢组合拉伸试验,研究了温度、拉伸速率、"转换应变"对推进剂极限力学性能和"脱湿"损伤行为的影响。结果表明,该新型推进剂在低温环境中具有良好的力学性能,其抗拉强度、断裂强度、最大伸长率、断裂伸长率、初始模量随拉伸速率的增大呈增大趋势,随温度的升高而减小。拉伸速率增大或者温度降低,"脱湿点"强度呈增大趋势,"脱湿点"前移,更易发生"脱湿"行为。在应变速率快慢组合试验中,推进剂极限力学性能参数随着"转换应变"的增大呈下降趋势。相关结果和结论可为复杂载荷下空空导弹发动机药柱的精细结构完整性分析提供参考。     

药柱对燃烧室外压失稳载荷的影响

通过外压屈曲计算及外压试验研究了某固体火箭发动机壳体与燃烧室的外压稳定性。外压屈曲计算得到了壳体、燃烧室的外压屈曲载荷、屈曲失稳波形以及径向位移(环向应变)随外压载荷的变化规律。对比壳体与燃烧室的计算结果发现,燃烧室径向位移(环向应变)-载荷曲线上拐点处对应的外压载荷相对壳体明显偏高,说明药柱对燃烧室外压承载能力贡献较大。对不同推进剂松弛模量的计算表明,推进剂松弛模量与燃烧室外压承载能力呈正相关。壳体、燃烧室外压试验所得失稳波形以及药柱对燃烧室外压承载能力的影响规律与计算结果吻合较好。