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。     

纤维体积含量对开孔层压板拉伸性能的影响

本文主要研究了碳纤维织物增强复合材料的纤维体积含量V_f对开孔层压板的抗拉强度σ、断裂伸长率ε的影响。采用T300碳纤维平纹织物为增强材料,经树脂传递模塑法(RTM工艺)复合而成T300/环氧TDE-85层压板,用岛津强力测试机进行拉伸性能测试。     

复合材料壳体磁场固化技术

环氧树脂基复合材料及缠绕壳体在磁场中缠绕和固化的技术为前苏联独有,美国只作了一些验证研究。这种技术使得复合材料加工过程中树脂基体发生物理和化学变化,固化后力学性能显著改善,而且质量更加稳定。实现该技术的设备已在前苏联应用。磁场中固化还适用于树脂涂层和粘接层。     

离心加速声中液态浸渗纤维预制体动力学分析

在将纤维预制体视为“毛细管束”的基础上,采用达西定律建立了离心加速场中金属液浸渗纤维预制体的浸渗动力学模型。采用该模型分析了离心加速场中金属液浸渗纤维预制体的临界转速,考察了金属液浅注量、设备转速、铸件高度、金属液原如外半径以及纤维预制体孔隙率对离心加速场中金属 浸润纤维预制体的影响。结果表明,金属液浸润纤维预制体的临界转速只与临界压力、金属液的浇注量、铸件高度以及纤维预制休性质有关;增加金属液浇注量、设备转速及金属液原始外半径,降低铸件高度、预制体纤维体积分数,有利于金属液的浸渗。     

混杂纤维缠绕壳体设计

应用网格理论，得到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。给出了混杂纤维缠绕圆筒壁厚的计算公式。讨论了用模拟实验压力容器确定纤维发挥强度的问题。算例表明，文中给出的设计计算方法，可用于混杂纤维缠绕壳体的初步设计。     

纤维缠绕复合材料层间质量声-超声无损评价

叙述了用声－超声进行复合材料危害性缺陷无损评价的研究，认为，声－超声信号在试样厚度上产生纵不皮共振，使得频谱能量集中在某些频率点附近，而声波又以切波的形式由发射换能器传向接收换能器，可用声－超声谱峰的位置来无损评价纤维缠绕增强型复合材料的层间结合质量。实验结果表明这一参量对纤维增强型合材料中的分层或紧贴型分层比较灵敏。     

碳纤维复合材料高压球形容器研制

采用变带距方法对球形容器进行优化设计，并研制了一批产品。试验结果表明，在纤维设计应力相同条件下，采用变带距缠绕的球形容器，其复合材料重量比等带距缠绕的轻２４．５６％，而其容器特性系数高出１０．４％，能同时满足设计提出的强度和重量两方面要求。     

具有衬里的纤维缠绕压力容器分析

给出了具有衬里的纤维缠绕压力容器纤维厚度的设计计算方法。当容器的结构一定时，给出了确定爆破压强的方法。     

复合材料RTM制造工艺数值模拟研究进展

纤维预制体的渗透性、孔穴或干斑的形成、残余应力的形成得影响成品质量的三个主要方面，本文对研究中存在的问题，进行了总结和评述。针对RTM工艺过程模拟中采用的控制方程，简要阐述了几种常用数值方法的特点。结合国内外RTM工艺过程数值模拟研究动态，指出了其发展方向。