航天材料对质子辐射防护性能的模拟研究

随着航天材料技术的飞速发展,先进复合材料(ACM)在航天器上的应用价值越来越大。文章从辐射防护角度对航天材料的防护性能作出评价。利用SRIM程序,先模拟各单元素材料的辐射防护性能,再结合实际模拟多种材料的辐射防护效果,对比分析先进复合材料在航天器质子辐射防护上的优势。     

基于均匀化方法的轴编C/C复合材料性能预测

把均匀化理论与有限元法相结合,应用于轴棒法多维编织C/C复合材料的性能预测,通过对该材料有效模量的计算和实验验证,表明本方法可以得到较准确的材料刚度性能,为该材料的设计提供了性能预测方法.     

二甲苯热解制备C/C复合材料的组织结构及力学行为研究

采用薄膜沸腾化学气相渗透技术,950～1 150℃下热解二甲苯对二维针刺炭毡致密化,30～35 h内制备出平均密度达1.72～1.74 g/cm3的C/C复合材料.采用排水法测量材料的密度,三点弯曲法测试材料的力学性能,偏光显微镜、扫描电子显微镜研究热解炭基体的组织结构和弯曲试样的断口形貌.结果表明,沉积温度为950℃时,热解炭在材料的轴向及径向呈现出从粗糙层(RL)向光滑层(SL)结构转变的趋势;在1 050℃和1 150℃条件下沉积的热解炭均为RL结构,且沉积温度为1 050℃时材料的密度分布较为均匀;当沉积温度由950℃升高至1 150℃时,C/C复合材料的弯曲强度从158.9 MPa降低到133.6 MPa,断裂方式也由脆性断裂转变为假塑性断裂.     

基于混杂非对称复合材料的自适应对日定向器

提出并设计了一种基于混杂非对称复合材料层合板的新型自适应对日定向器。该对日定向器采用混杂非对称复合材料层合板作为驱动元件,利用在轨光照条件的变化引起复合材料层合板温度变化,进而使其产生热变形并驱动太阳翼发生偏转。提出的自适应对日定向器结合传统的单自由度对日定向机构,能够实现太阳能帆板的双自由度对日定向。介绍了自适应对日定向器的基本原理,并结合地球静止轨道的光照条件进行了具体设计。利用能量变分原理建立了混杂非对称复合材料的热变形模型,分析其热变形特点,并利用有限元方法对定向器在地球静止轨道上的温度场特性、热变形及对日定向转动角度进行分析。有限元分析结果表明,通过合理设计,自适应对日定向器的转角能够随太阳光入射角变化呈线性变化,定向精度可达±1°。     

一体式石英振梁加速度计工程化研究进展

一体式石英振梁加速度计是一种高精度谐振式MEMS惯性传感器。针对现有石英振梁加速度计存在的体积大、全温及力学环境适应性不足等问题,提出一种基于三层石英结构的一体式石英振梁加速度计的设计方案。通过突破高精度薄梁腐蚀及晶圆级键合两项关键技术,成功研制出加速度计样机。经测试,产品全温稳定性优于0.5mg,振动整流误差优于200μg/g^2(@15.68g rms),可以满足中高精度惯性导航应用需求。后续期望通过原位温度补偿及直接键合等技术进一步提升一体式石英振梁加速度计的全温精度及长期稳定性。     

复合材料构件热压罐成型模具温度均匀性分析

热压罐固化中成型模具的温度分布对复合材料固化质量有显著影响,提高与构件直接接触的模具型面温度均匀性有利于改善内部温度梯度,减小固化变形,提高成型精度。本文以复合材料构件热压罐框架式成型模具为对象,应用有限元方法,分析模具温度的分布,研究模具支撑结构对型板表面温度均匀性的影响。研究表明,支撑板厚度越薄,温度均匀性越好,与进气风口平行方向的支撑板对温度均匀性的影响更为显著,因此可优先考虑增加与进气风口垂直方向支撑板厚度来增加模具刚度。在保持面积不变的前提下,改变散热孔的形状,发现菱形与圆形散热孔具有较强的抗变形能力,而方形散热孔使得型板表面温度分布更加均匀。通过控制散热孔的布局改变风道时,发现T型风道对于改善温度均匀性的效果最佳。     

含边缘裂纹铝合金厚板的复合材料双面修补研究

采用表面打磨,80℃、接触压固化的方法,利用碳纤维/双马复合材料预固化补片对边缘裂纹的铝合金厚板进行双面胶接修补,测试修补前后的静态和疲劳性能,并结合高低温老化和常温油浸试验考核其耐煤油性。结果表明:修补后平均破坏载荷由94.313 kN增加到143.593 kN,提高了52.25%;疲劳寿命由2 019次循环增加到34 698次循环,提高了16.19倍;临界裂纹长度由13.5 mm增加为27.5 mm;裂纹扩展速率由2.72 mm/1 000循环降低为0.59 mm/1 000循环。在300次循环高低温油浸及180 d的常温油浸试验条件下,燃油对试验件疲劳性能无影响,同时修补试验件对煤油品质无明显影响。     

二维三轴编织复合材料压缩失效行为的细观有限元模拟

为研究典型二维三轴编织复合材料（2DTBC）的压缩破坏机理,建立了细观有限元模拟方法体系。提出了反映编织复合材料真实几何特性的单胞模型建模策略,根据Murakami-Ohno损伤理论建立了各向异性损伤模型来模拟纤维束中的损伤起始和扩展行为,通过引入波动系数描述了纤维束的起伏状态,并采用内聚力单元来模拟界面分层。在此基础上,分析得到了二维三轴编织复合材料在压缩载荷下的破坏过程,研究了压缩载荷下纤维束和界面层的损伤演化,探讨了纤维束波动对压缩性能的影响规律。通过与相关试验结果对比,该模型能够准确预测二维三轴编织复合材料在面内压缩载荷下的力学响应和主要失效行为,以及自由边效应。细观失效过程分析结果表明,二维三轴编织复合材料轴向压缩的破坏是由轴向纤维束的纤维压缩失效主导的;横向压缩破坏则是由偏轴纤维束的纤维压缩失效引起的。     

自动铺丝最小间隙路径规划与复合材料锥壳结构制造

自动铺丝技术（AFP）是提高复合材料构件制造效率和降低其制造成本的关键技术和重要手段。铺放轨迹的设计是控制自动铺丝工艺质量的关键。对于复杂的结构形式,合理的铺丝路径对保证可制造性及铺贴质量至关重要。本文针对简化后的后机身锥壳特征结构,研究了基于固定角法、测地线法和变角度法的自动铺丝轨迹算法设计,解决了铺放复杂曲面满覆盖问题;总结对比获得了不同铺丝轨迹方法的特点和适用范围。以保证工艺性并满足结构设计铺层方向为原则,选用了带宽为6.35 mm的自动铺丝预浸料完成工艺验证件制造,并通过有限元分析评估了自动铺丝轨迹算法的合理性。结果表明：该结构宜采用测地线法铺放0°方向铺层以减少褶皱;采用固定角法铺放90°方向铺层能够保证连续铺放;采用结合预浸窄带侧弯试验结果的变角度轨迹规划方法铺放此锥类构件±45°方向铺层能够保持最小间隙。铺丝间隙使锥壳结构单层等效模量下降约30%,整体强度下降约10%。因而在结构优化设计时需考虑自动铺丝工艺对安全裕度影响的因素。     

基于广义变分原理和锯齿理论的高精度层合梁模型

基于广义变分原理和精化的zigzag理论建立了高精度的层合梁弯曲和自由振动模型。为准确预测层合梁的力学行为做出两个预处理:首先采用线性zigzag函数[1]使面内位移在梁高度方向(z方向)上呈锯齿分布;然后通过弹性平衡方程构造了预先满足层间连续和自由表面条件的层间横向剪力,因此不需要剪切修正因子。另外,基于Reissner混合变分原理推导了该梁模型的控制方程和边界条件,并以正交铺设的两端简支层合梁为例,分析了静弯曲和自由振动行为。算例结果表明,该模型能够准确地预测位移、应力和自振频率,验证了本文方法的精度和可靠性。