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。     

固体火箭发动机复合材料壳体裙连接区结构数值分析

对某固体火箭发动机纤维缠绕复合材料壳体轴压载荷作用下裙与筒段连接区(裙连接区)进行了有限元结构分析。依照壳体的结构特征和受力特性建立了裙连接区3D简化分析模型,通过对某芳纶纤维壳体仿真结果和实验数据的对比分析,验证了模型简化的合理性和有限元结果的正确性;最后对某炭纤维缠绕复合材料壳体裙连接区进行了数值分析和壳体连接区结构方案改进。结果表明,增加补强层厚度和提高补强层纤维模量可有效降低应变极值,改善结构应力分布,经改进的结构设计方案承载能力可提高20%。     

多角度纤维缠绕复合材料圆筒张力设计

缠绕张力是纤维缠绕复合材料圆筒设计的一项重要研究内容,它对纤维缠绕复合材料圆筒的质量起着关键作用。基于三维各向异性弹性力学,提出了一种针对多层复合材料纤维增强树脂基圆筒的张力设计方法。模型中将张力诱导残余应力作为复合材料缠绕层初始应力,基于Tsai-Wu失效准则获得内压作用下给定铺层顺序的使得爆破压强最大的复合材料圆筒最佳张力制度。研究结果表明:对于单层螺旋缠绕,当缠绕角一定的情况下,随着张力的增加,圆筒爆破内压先增加后减小,不同缠绕角下对应的最佳张力值不同,随着缠绕角从0°～90°的增加,最佳张力值先减小后增加;对于多层螺旋缠绕,铺层模式确定的情况,随着缠绕张力的增加,爆破压强先增加后减小。因此,对于给定铺层模式,需要合理确定其缠绕张力,以保证最大限度地发挥纤维的承载能力。     

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。     

带金属接头的复合材料壳体内压变形分析

采用数值方法对某2 m纤维缠绕壳体封头在内压作用下的位移进行了分析。采用层合单元建立该纤维缠绕壳体封头的变厚度数值分析模型,得到壳体内压作用下的变形模式。数值分析结果与水压试验得到的封头位移数据基本吻合。研究结果表明,带金属接头的复合材料壳体开口尺寸决定了前后封头的位移模式。前封头以复合材料部分的内压变形为主,在距离极孔约400 mm位置处发生最大位移,其值为21.8 mm。后封头以金属部分的内压变形为主,在后堵盖处发生最大位移,其值为30.4 mm。     

某碳纤维复合材料发动机壳体设计研制

介绍了某直径400 mm碳纤维缠绕复合材料发动机壳体的设计研制。根据该发动机的结构,以石棉/丁腈橡胶为壳体绝热层材料,用网格法建立了封头和筒段等结构层的模型,并给出了发动机的纤维缠绕壳体壁厚和层数设计结果,以及芯模制作、壳体绝热层成型和壳体裙装配等主要成型工艺。工作压力、气密和爆破等水压试验结果表明,所设计的碳复合材料发动机壳体满足性能要求。     

航天器复合材料结构的渐进损伤分析

复合材料结构渐进损伤分析是获取复合材料结构极限承载能力、实现基于可靠性的结构定量设计、评估长寿命航天器损伤容限和耐久性的有效方法。文章介绍了复合材料渐进损伤分析的基本原理与方法、用于分层分析的内聚力模型及相应的强度判据和断裂判据,通过典型的用于表征损伤容限的开孔压缩算例,实现了复合材料层内失效和层间分层失效的渐进损伤分析,分析得到的破坏形貌和极限承载能力与试验值吻合良好。     

固体火箭发动机纤维缠绕壳体承载能力研究

为解决某型固体火箭发动机复合材料壳体承载轴压与弯矩能力不足问题,依据原壳体实体及其在轴压与弯矩联合载荷作用下的静力试验,建立了该壳体的有限元数学模型,并进行了静力计算和稳定性分析。计算分析表明,原壳体破坏的原因是层间剪切强度失效,复合材料基体开裂,局部屈曲和后屈曲破坏发生在铝裙尖端部位。提出用S-2玻璃纤维代替F12纤维做为裙外铺层改进原壳体结构,有效地约束了屈曲波形,提高了结构承载能力,解决了工程难题。     

固体发动机纤维缠绕壳体设计准则判别式

给出了固体火箭发动机纤维缠绕复合材料壳体设计准则判别式。依据这一准则，当用于制造壳体的纤维材料特征值时，则该材料按刚度准则设计固体火箭发动机壳壁厚度，否则，按强度准则设计壳体厚度。以及机纤维和碳纤维为增强材料，给出两例分别按强度和刚度准则设计的实例，通过另两例强度相近但刚度不同的设计尘实例的比较。文中提出在设计固体火箭发动机壳体时，应合理选用纤维的最佳值，并建议发展纤维材料时，应注重强度与刚度的     

分层缺陷对复合材料壳体裙连接区轴向承载性能影响分析

为掌握固体发动机复合材料壳体裙连接区在复合材料界面分层缺陷状态下的承载性能,基于损伤失效分析方法研究了裙连接区不同界面、不同位置存在不同大小的复合材料分层/脱粘缺陷时的承载能力,分析了缺陷对裙连接区结构局部屈曲、裂纹扩展及损伤失效的影响规律。结果表明,复合材料层间界面存在临界缺陷尺寸,当缺陷小于临界尺寸时,结构承载能力基本不变,当缺陷大于该临界尺寸时,连接区的失效形式和极限载荷均受到较大影响;对于复合材料轴向补强层与环向缠绕层之间的初始分层缺陷而言,当缺陷位置处于裙连接区过渡层轴向位置之后时,裙连接区的承载方式无明显变化,仍受整体屈曲的控制;但缺陷位置与裙连接区过渡层轴向位置相同时,则易发生局部屈曲,对连接区承载能力影响较大。     

复合材料壳体挂机飞行一体化结构 优化设计分析

针对固体火箭发动机复合材料壳体挂机飞行一体化结构优化设计问题,提出了基于拓扑优化和多参数目标驱动优化相结合的两步设计法。首先针对挂机飞行金属结构进行拓扑优化,优化后结构质量由8.6 kg降低至6.0 kg,实现了结构轻量化设计目的;然后针对复合材料挂机飞行一体化结构进行多参数目标驱动优化并进行参数敏感性分析,结构整体质量由6.0 kg进一步降低至5.94 kg。参数敏感性分析结果表明,挂飞连接支座上肢板厚度为关键尺寸,而挂飞结构外缠绕层宽度对整体结构强度贡献较小。静力载荷试验结果表明,壳体及挂机结构应变在10～140 k N前应变与载荷基本呈线性增长,当超过140 k N后挂机结构外部环向纤维开始断裂,挂机结构出现破坏,载荷设计值与实验值相对误差为15.6%,这是由于载荷试验采用单一吊耳加载而导致结构受力过于集中而相对容易发生破坏。     

复合材料层合板热-力作用下的失效研究

碳纤维复合材料力学性能优异,在航空航天等领域广泛使用,其在热-力联合作用下的损伤失效研究对于结构的损伤破坏和强度预测具有重要意义。发展了热力耦合条件下复合材料结构渐进损伤分析方法,建立了三维有限元热烧蚀模型,并验证了计算模型的可靠性;采用三维Hashin失效准则,结合材料刚度突然退化模式,建立了失效分析模型,仿真分析了热-力联合作用下复合材料层合板损伤演化全过程。结果表明,该方法不仅能够较好地模拟复合材料层合板从局部失效的萌生、扩展直至结构完全失效的全过程,而且可以直观地显示结构的损伤失效模式,预测结构在不同条件下的承载能力。     

基于ABAQUS的固体火箭发动机复合材料壳体快速化建模方法及验证分析

提出了一种基于ABAQUS的固体火箭发动机复合材料壳体快速化建模方法。通过编写PYTHON脚本程序,实现将缠绕软件生成的信息文件进行数据处理,导入ABAQUS中参数化生成有限元模型的建模功能。通过数值分析中的B样条函数法对缠绕软件导出的波动数据进行光滑处理,并分析其在压力载荷工况下的力学性能变化。使用干法预浸带缠绕壳体,通过水压爆破实验结果与有限元结果进行对比,验证建模方法的准确性。结果表明,快速化建模方法建立的壳体有限元模型在压强为26.02 MPa时发生了失效,水压爆破实验中内压达到27 MPa时壳体失效,有限元模型的位移和失效形式等均能与实验结果吻合较好。基于ABAQUS的固体火箭发动机复合材料壳体快速化建模方法能较准确地对壳体的实际工作情况进行预测。     

力热联合载荷下炭纤维缠绕壳体轴压稳定性分析

为了研究炭纤维缠绕壳体在力热联合载荷下的轴压稳定性,通过试验测试了炭纤维复合材料单层板在不同温度下的弹性常数,计算出炭纤维复合材料壳体在不同温度下的等效弹性常数。基于层合板理论计算了炭纤维复合材料壳体的临界轴压,设计了力热联合载荷下炭纤维缠绕壳体试验方案,测试了壳体在不同温度下的轴压破坏载荷。结果表明,炭纤维复合材料壳体的临界轴压随温度升高逐渐降低;当使用温度超过树脂玻璃化温度后,壳体轴压破坏载荷呈指数级下降;在临界轴压理论计算公式的基础上取修正系数为0.04,可准确预示炭纤维复合材料壳体的轴压破坏载荷。相关结论和方法可为固体发动机复合材料壳体和外防热结构设计提供依据。     

凯夫拉49复合材料缠绕孔眼的特性

用试验方法研究了凯夫拉49复合材料“缠绕孔眼”的强度。由于制作部件时绕在可拆卸销钉上的纤维是连续的,故这样形成的孔眼的强度显著超过钻削孔眼的强度。己研制成功一种模拟纤维缠绕孔眼的纤维缠绕环形试样,并用它来研究绕孔的强度。对厚度为0.04至0.25英寸和销钉直径为0.300至0.480英寸的试样均进行了试验。试验结果表明:试样极限强度明显受销钉形状、尺寸的影响。用有头销钉作试验,其承载极限应力达90000磅/英寸~2以上。基于这些试验结果的设计数据已被确认,并与采用缠绕孔眼作结构连接的小直径(2.7英寸和6.9英寸)纤维缠绕火箭发动机壳体的孔眼强度试验进行了比较。其相关程度是发动机壳体直径的函数,直径较小,则一致程度较高。     

混杂复合材料的成型工艺及在固体发动机上的应用

介绍了混杂复合材料的类型和混杂纤维与基体的相容性，分析了纤维混杂对复合材料性能的影响，通过实验论述了混杂复 材料固体发动机壳体和裙的设计方法、成型工艺及试验结果，对几种新型壳体缠绕成型工艺进行了讨论，提出了在固化发动机上应用混杂复合材料的建议     

F－12芳纶纤维缠绕壳体水压实验AE检测及剩余强度预报

采用声发射仪，对Ｆ－１２芳纶纤维缠绕复合材料壳体水压实验过程进行了低压ＡＥ检测，选用设计爆破压强的４３％以下的ＡＥ数据，建立了一个低压下的ＡＥ参量与爆玻压力之间的多元线性回归方程式。该方程式对壳体爆破压力的预测值与实测值符合较好，从而为降低复合材料壳体水压安全评定实验压强提供了新途径。它既保证了经过水压实验后的复合材料壳体有足够的承载能力，又能可靠地预报其爆破压强。     

混杂纤维复合材料受拉构件的最优混杂比研究

基于复合材料力学中的复合定律和断裂应变破坏准则,讨论了混杂纤维复合材料的断裂特性,得到了以纤维层拉伸强度和拉伸模量表示的两种纤维混杂复合材料受拉构件的临界混杂比和拉伸强度;并讨论了最优混杂比的选取方法。算例表明,文中给出的最优混杂比的确定,就是一种满应力的优化设计,它可用于固体火箭发动机混杂纤维缠绕壳体的初步设计。     

固体火箭发动机混杂纤维缠绕壳体设计分析

基于网格理论，推得了固体火箭发动机混杂纤维缠绕壳体在内压作用下的平衡方程。以纤维层强度和模量给出了混杂纤维层厚度比的确定方法及混杂纤维缠绕圆筒壁厚的确定方法。讨论了用模拟实验压力容器确定纤维发挥强度的方法。     

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。