季寶鋒 孫艷杰 章 凌 楊 柳 提亞峰

(1 北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076)(2 航天材料及工藝研究所，北京 100076)

·計(jì)算材料學(xué)·

編織復(fù)合材料在高溫?zé)峤Y(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

季寶鋒1孫艷杰2章 凌1楊 柳1提亞峰1

(1 北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076)(2 航天材料及工藝研究所，北京 100076)

文 摘 通過(guò)對(duì)使用2.5D編織工藝生產(chǎn)的復(fù)合材料發(fā)動(dòng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)的高溫?zé)醾鲗?dǎo)分析，得到了薄壁回轉(zhuǎn)體構(gòu)件承受高溫作用后的傳導(dǎo)特性；通過(guò)地面富氧狀態(tài)下的考核試驗(yàn)，驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)能夠滿足壁面950℃高溫長(zhǎng)時(shí)間使用要求；有限元分析與考核試驗(yàn)結(jié)果一致，驗(yàn)證了有限元計(jì)算的正確性和地面試驗(yàn)各項(xiàng)熱流補(bǔ)償參數(shù)的合理性，對(duì)此類產(chǎn)品在工程應(yīng)用中的分析與預(yù)示具有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

編織復(fù)合材料，2.5D編織結(jié)構(gòu)，熱結(jié)構(gòu)

0 引言

編織復(fù)合材料結(jié)構(gòu)呈網(wǎng)狀交織不分層整體，具有優(yōu)良的層間性能和綜合力學(xué)性能[1]，使用抗高溫樹(shù)脂固化成型的碳纖維編織結(jié)構(gòu)件具有十分良好的耐燒蝕性和耐沖刷性[2]。在生產(chǎn)工藝上，使用編織技術(shù)可以直接編織出各種形狀、不同尺寸的整體異型構(gòu)件，結(jié)構(gòu)件成型后不需再加工，避免了后加工造成的纖維損傷。近20年來(lái)，國(guó)際上對(duì)三維編織復(fù)合材料的制造與應(yīng)用技術(shù)，如用三維編織復(fù)合材料制造耐高溫、燒蝕和高沖刷的導(dǎo)彈頭錐、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的喉襯、發(fā)動(dòng)機(jī)裙和導(dǎo)彈彈體或火箭箭體、航天器特殊結(jié)構(gòu)件、飛機(jī)機(jī)翼等的研究極為重視[3]。

碳纖維復(fù)合材料編織制造纖維構(gòu)架常用有3D和2.5D編織結(jié)構(gòu)、正交三向結(jié)構(gòu)、多軸向結(jié)構(gòu)等。在工程實(shí)踐中，考慮到自動(dòng)化生產(chǎn)條件和效率問(wèn)題，2.5D編織結(jié)構(gòu)往往成為優(yōu)選。編織復(fù)合材料在使用過(guò)程中必須進(jìn)行的彈性、熱物理性能、強(qiáng)度和失效等情況的分析計(jì)算主要有解析法和數(shù)值法。用解析法和數(shù)值法來(lái)預(yù)測(cè)編織復(fù)合材料的力學(xué)性能是一種成本低且有效的方法，由于結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性用解析法對(duì)編織復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)建模很困難[4]。針對(duì)目前3D編織構(gòu)件靜態(tài)力學(xué)和動(dòng)態(tài)力學(xué)研究較多[5-7]、熱力性能研究較少的情況，本文通過(guò)對(duì)工作于高溫、熱沖刷和熱力載荷復(fù)合作用環(huán)境下，使用碳纖維復(fù)合材料2.5D編織工藝生產(chǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)的有限元分析和地面熱強(qiáng)度試驗(yàn)考核，研究該產(chǎn)品適應(yīng)于高溫?zé)岘h(huán)境使用能力和結(jié)構(gòu)熱傳導(dǎo)特性，同時(shí)通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證有限元分析的正確性和準(zhǔn)確性。

1 復(fù)合材料2.5D編織結(jié)構(gòu)件

1.1 2.5D編織原理

2.5D編織復(fù)合材料采用機(jī)織或編織成型，通過(guò)緯紗和經(jīng)紗之間纏繞形成互鎖，纖維束在厚度方向上以一定角度進(jìn)行交織，使材料具有更好的整體性，因而具有良好的剪切性能及很強(qiáng)的可設(shè)計(jì)性。2.5D編織復(fù)合材料避免了2D編織復(fù)合材料層間性能差和3D編織復(fù)合材料工藝復(fù)雜的缺點(diǎn)，降低了制造成本、縮短了生產(chǎn)周期，且易于制備回轉(zhuǎn)構(gòu)件。使用2.5D編織工藝制造的結(jié)構(gòu)件典型特點(diǎn)是緯紗平直、經(jīng)紗彎曲、結(jié)構(gòu)為整體、可機(jī)械加工。2.5D編織結(jié)構(gòu)件編織工藝原理見(jiàn)圖1。

1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)件及編織織物工藝

發(fā)動(dòng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)件編織2.5D結(jié)構(gòu)織物是將經(jīng)紗系統(tǒng)垂直吊起來(lái)，按照設(shè)計(jì)的行與列對(duì)經(jīng)紗進(jìn)行初始排列，然后把經(jīng)紗按設(shè)計(jì)好的運(yùn)動(dòng)規(guī)律互相進(jìn)行位置變換，每變換一次位置，引一次緯紗，從而實(shí)現(xiàn)經(jīng)紗和緯紗的一次“交織”。根據(jù)設(shè)定的結(jié)構(gòu)，變換若干次經(jīng)紗位置并引入相應(yīng)的緯紗后完成一個(gè)完整運(yùn)動(dòng)循環(huán)，經(jīng)紗和緯紗實(shí)現(xiàn)了多次“交織”，完成一個(gè)完整的結(jié)構(gòu)單元，重復(fù)以上運(yùn)動(dòng)循環(huán)，直到編織完成為止。對(duì)初始行與列排布及每列經(jīng)紗運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行調(diào)整，就可以編織出不同結(jié)構(gòu)的2.5D編織織物結(jié)構(gòu)。2.5D編織工藝結(jié)構(gòu)件微觀結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 2.5D編織工藝微觀結(jié)構(gòu)示意圖

發(fā)動(dòng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)件結(jié)構(gòu)形式為典型的圓柱回轉(zhuǎn)體薄壁結(jié)構(gòu)(圖3)，壁厚均為3 mm，中間均布三處散熱開(kāi)口，回轉(zhuǎn)體軸向?yàn)榫曄?，回轉(zhuǎn)方向?yàn)榻?jīng)向，2.5D編織織物經(jīng)、緯向工藝參數(shù)見(jiàn)表1。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)圖

表1 編織織物工藝參數(shù)

2.5D編織發(fā)動(dòng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)件成型使用RTM工藝制造[8]，系統(tǒng)由原材料系統(tǒng)、注膠系統(tǒng)和模具系統(tǒng)組成。過(guò)程是將預(yù)制件放入密閉的模具中，在一定的溫度、壓力下，將耐高溫樹(shù)脂注入模腔而固化成型。

2 2.5D編織構(gòu)件熱傳導(dǎo)分析與預(yù)示

2.1 熱分析理論基礎(chǔ)

無(wú)內(nèi)熱源的熱傳導(dǎo)控制方程為：

(1)

式中，T為溫度，ρ為密度，c為比熱容，k為熱導(dǎo)率，i=1,2,3。

初始條件為：

T|t=0=20℃,onΩ

(2)

式中，t為時(shí)間，Ω為熱傳導(dǎo)求解域。

邊界條件為：

(3)

式中，n為邊界法向，h為對(duì)流換熱系數(shù)，ε為輻射系數(shù)，σ為玻爾茲曼常數(shù)，Te為環(huán)境溫度;Γ為邊界區(qū)域。

2.2 結(jié)構(gòu)熱傳導(dǎo)有限元分析

采用有限元方法對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱分析，Abaqus有限元模型見(jiàn)圖4，采用六面體一階熱傳導(dǎo)單元。熱源位于套筒內(nèi)，溫度梯度主要沿3 mm厚度方向，在此方向劃分4個(gè)單元。結(jié)構(gòu)材料性能見(jiàn)表2。

圖4 有限元分析模型

表2 2.5D編織復(fù)合材料性能參數(shù)

計(jì)算使用邊界條件見(jiàn)圖5，圖中模擬在真實(shí)受熱狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)單面結(jié)構(gòu)受熱傳導(dǎo)過(guò)程(另一面結(jié)構(gòu)與其對(duì)稱)，右側(cè)“輻射加熱”是發(fā)動(dòng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)圓柱筒內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的高溫?zé)崃肯蚪Y(jié)構(gòu)外傳導(dǎo)，圖中“試驗(yàn)件”模擬的是3 mm厚發(fā)動(dòng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)圓柱體單面壁板，左側(cè)“輻射散熱”是發(fā)動(dòng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)圓柱體外側(cè)向空間散熱過(guò)程。參數(shù)設(shè)置為：結(jié)構(gòu)內(nèi)壁有石英燈管輻射加熱，輻射系數(shù)取0.8，石英燈管溫度為1 150℃；外壁有輻射散熱，輻射系數(shù)取0.8，環(huán)境溫度取20℃；內(nèi)壁和外壁均有對(duì)流換熱散熱，考慮到試驗(yàn)室空間較大，熱試驗(yàn)對(duì)空間溫度影響較小，取環(huán)境溫度為20℃，內(nèi)壁換熱系數(shù)取h1，外壁換熱系數(shù)取h2，根據(jù)熱補(bǔ)償條件，h1=h2=80 W/(m2·K)，環(huán)境初始溫度取20℃。計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)采用自動(dòng)增量策略，總時(shí)長(zhǎng)為200 s，初始時(shí)間步長(zhǎng)為0.1 s，最小時(shí)間步長(zhǎng)為ms，最大時(shí)間步長(zhǎng)為1 s，約束每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)最大溫升不超過(guò)20℃。

圖5 筒壁的邊界條件示意圖

計(jì)算后的結(jié)構(gòu)隨加熱時(shí)間變化，取不同時(shí)間下結(jié)構(gòu)溫度云圖見(jiàn)圖6。

圖6 4種不同加熱時(shí)間熱傳導(dǎo)云圖

內(nèi)壁施加輻射熱時(shí)，內(nèi)壁溫度較高，外壁溫度較低；熱量從內(nèi)壁傳向外壁，隨著時(shí)間推移，結(jié)構(gòu)溫度逐漸升高，且向耳片擴(kuò)散。筒壁厚度方向溫度分布見(jiàn)圖7，溫度較低時(shí)，呈現(xiàn)出非線性分布特性；加熱60 s后，溫度逐漸趨于穩(wěn)定，厚度方向呈線性分布特性。

圖7 不同時(shí)刻在結(jié)構(gòu)厚度方向的溫度分布

3 編織構(gòu)件高溫?zé)岘h(huán)境考核

3.1 總體考核方案與環(huán)境

2.5D編織發(fā)動(dòng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)件高溫?zé)岘h(huán)境考核方案為地面富氧狀態(tài)熱強(qiáng)度石英燈加熱考核?？己四康氖窃谀M發(fā)動(dòng)機(jī)工作高溫環(huán)境下，驗(yàn)證2.5D編織結(jié)構(gòu)件能否滿足發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)高溫?zé)岘h(huán)境使用要求，結(jié)構(gòu)件在高溫環(huán)境是否會(huì)出現(xiàn)散架、結(jié)構(gòu)解散不滿足熱強(qiáng)度使用要求的情況，并獲取結(jié)構(gòu)件各處溫度數(shù)據(jù)。試驗(yàn)環(huán)境為地面富氧狀態(tài)，即空氣自由狀態(tài)，試驗(yàn)件散熱通暢。熱源放置在試驗(yàn)結(jié)構(gòu)件內(nèi)部，熱源前端凸出結(jié)構(gòu)件端面。

3.2 加熱溫度換算

黑體輻射原理公式為：

E=ξδT4

(4)

式中,E為輻射能量；ξ為材料吸收率；δ為輻射常數(shù)；T為輻射體表面溫度。

結(jié)構(gòu)受熱最嚴(yán)酷位置為發(fā)動(dòng)機(jī)喉部，直徑為33 mm，熱源為Q1，溫度為1 400℃；加熱棒外緣直徑為62 mm，熱源為Q2。試驗(yàn)中要求保證熱源對(duì)試驗(yàn)件提供能量一致，即：

Q1=Q2

(5)

Q1=E1S1=ξδ(1400+273)4×h×π×R33

(6)

Q2=E2S2=ξδ(T+273)4×h×π×R62

(7)

得到：T=1 155℃。

3.3 熱源形狀、加熱溫度確定及試驗(yàn)件安裝

采用石英燈輻射方式加熱，并采用熱能轉(zhuǎn)換方式進(jìn)行加熱試驗(yàn)。加熱熱源主體為圓柱形，外徑Φ62 mm，熱源壁厚1 mm，外壁涂黑處理，考慮到試驗(yàn)過(guò)程中溫度的控制，加熱溫度1 150℃，試驗(yàn)加熱溫度控制點(diǎn)在加熱工裝內(nèi)壁軸向中間位置，試驗(yàn)加載方式見(jiàn)圖8。

圖8 試驗(yàn)加載方式

熱源放置在試驗(yàn)結(jié)構(gòu)件內(nèi)部，熱源前端凸出結(jié)構(gòu)件端面，結(jié)構(gòu)件下端安裝固定，試驗(yàn)件無(wú)外部負(fù)載。試驗(yàn)件安裝狀態(tài)見(jiàn)圖9。

圖9 試驗(yàn)件安裝圖

3.4 溫度測(cè)點(diǎn)布置

試件溫度測(cè)點(diǎn)共7個(gè)，編號(hào)及位置見(jiàn)圖10。

圖10 試驗(yàn)件溫度測(cè)點(diǎn)圖

3.5 構(gòu)件高溫?zé)嵩囼?yàn)考核結(jié)果

試驗(yàn)控制器程序?yàn)椋?～40 s，結(jié)構(gòu)件加熱溫度從室溫增加到1 150℃；保溫40～300 s。加熱過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)件在試驗(yàn)進(jìn)行到40 s時(shí)開(kāi)始大面積出現(xiàn)煙霧，并有局部火苗，主要集中在圓柱形金屬筒外緣。大面積著火一直持續(xù)約80 s后熄滅，之后基本無(wú)明火，但一直有物質(zhì)蒸發(fā)冒煙。試驗(yàn)中產(chǎn)品狀態(tài)見(jiàn)圖11。

圖11 熱結(jié)構(gòu)件加熱過(guò)程燒蝕狀態(tài)

試驗(yàn)后進(jìn)行試驗(yàn)件燒蝕狀態(tài)檢查，發(fā)動(dòng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)件表面已嚴(yán)重炭化，只剩下碳纖維編織機(jī)體，厚度明顯變薄，絕大部分樹(shù)脂已蒸發(fā)、燃燒炭化，發(fā)動(dòng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)件剛度、強(qiáng)度變?nèi)?。試?yàn)后產(chǎn)品燒蝕狀態(tài)見(jiàn)圖12。

圖12 試驗(yàn)后的結(jié)構(gòu)件燒蝕狀態(tài)

發(fā)動(dòng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)件試驗(yàn)中各測(cè)點(diǎn)溫度測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)圖13。

圖13 試驗(yàn)溫度測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)

從結(jié)構(gòu)件上的溫度測(cè)點(diǎn)圖可以得出以下結(jié)果。

(1)各測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)變化較平穩(wěn)，發(fā)動(dòng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)件熱強(qiáng)度試驗(yàn)中，內(nèi)壁最高溫度為950℃。

(2)試驗(yàn)開(kāi)始192 s前基本都處于發(fā)動(dòng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)機(jī)體溫升過(guò)程，同時(shí)溫度數(shù)值波動(dòng)較大，這主要是發(fā)動(dòng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)燃燒著火引起；192 s之后各測(cè)點(diǎn)溫度基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，這與發(fā)動(dòng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)不再燃燒只有部分蒸發(fā)煙霧有關(guān)。

考核試驗(yàn)是在地面富氧狀態(tài)下進(jìn)行的，因而發(fā)動(dòng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)中出現(xiàn)著火燃燒，從而加快了發(fā)動(dòng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)的燒蝕，而在真實(shí)飛行的真空狀態(tài)下沒(méi)有氧氣，發(fā)動(dòng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)不會(huì)燃燒，樹(shù)脂只會(huì)揮發(fā)、炭化，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)受熱也只是局部的，重點(diǎn)在發(fā)動(dòng)機(jī)喉部和噴口末端，因此，試驗(yàn)為極限考核狀態(tài)，較真實(shí)使用狀態(tài)要嚴(yán)酷很多。但從試驗(yàn)后結(jié)構(gòu)件檢查和靜力試驗(yàn)驗(yàn)證來(lái)看，高溫?zé)岘h(huán)境作用后的發(fā)動(dòng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)仍能承載使用要求載荷，能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求，證明使用2.5D編織的碳纖維復(fù)合材料構(gòu)件在質(zhì)量較金屬材料減輕50%以上的情況下，仍能滿足工程力熱一體化功能需要。

4 熱強(qiáng)度試驗(yàn)與有限元計(jì)算結(jié)果對(duì)比

對(duì)圖13中試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，測(cè)點(diǎn)T2和T3的變化比較有規(guī)律，數(shù)據(jù)可靠性比較高，采用這兩點(diǎn)的數(shù)據(jù)對(duì)分析模型進(jìn)行修正。分析數(shù)據(jù)特征發(fā)現(xiàn)，加熱的時(shí)間起點(diǎn)約為32 s時(shí)刻，在200 s時(shí)刻以后溫度數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定。

對(duì)試驗(yàn)工況進(jìn)行有限元分析，見(jiàn)圖14，有限元計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)實(shí)測(cè)值較吻合，誤差在10%以內(nèi)，表明有限元分析模型具有較高精度，計(jì)算方法正確，修正參數(shù)選取合理，能夠指導(dǎo)實(shí)際工程使用。

圖14 有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)實(shí)測(cè)值對(duì)比

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)2.5D編織工藝生產(chǎn)制造的發(fā)動(dòng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行的高溫?zé)醾鲗?dǎo)過(guò)程分析、地面考核方案設(shè)計(jì)和驗(yàn)證研究，驗(yàn)證了采用該工藝制造的新型結(jié)構(gòu)抗高溫使用環(huán)境能力。

(1)得到了碳纖維復(fù)合材料2.5D編織工藝+高溫樹(shù)脂制造的薄壁結(jié)構(gòu)件，在富氧狀態(tài)下，能夠適應(yīng)加熱器1 150℃、壁面950℃高溫環(huán)境長(zhǎng)時(shí)間使用要求。最終主體結(jié)構(gòu)不會(huì)散架，能夠在具有熱沖刷環(huán)境中使用。

(2)通過(guò)高溫?zé)釓?qiáng)度試驗(yàn)證明:2.5D編織工藝制造的結(jié)構(gòu)件高溫性能主要取決于樹(shù)脂的高溫性能。提高樹(shù)脂的高溫分解性能、快速炭化能力是提高碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件高溫性能的主要途徑。

(3)有限元與工程熱強(qiáng)度試驗(yàn)考核的一致性，證明熱強(qiáng)度試驗(yàn)中各項(xiàng)補(bǔ)償條件和參數(shù)選取合理。同時(shí)，針對(duì)此類回轉(zhuǎn)體薄壁結(jié)構(gòu)，有限元計(jì)算具有較高的置信度，可以使用分析仿真的方法直接指導(dǎo)工程應(yīng)用。

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Application of Braiding Composites in Design of High-Temperature Thermal Structures

JI Baofeng1SUN Yanjie2HANG Ling1YANG Liu1TI Yafeng1

(1 Beijing Institute of Astronautical Systems Engineering，Beijing 100076)(2 Aerospace Research Institute of Materials & Processing Technology , Beijing 100076)

The 3D braiding composites is widely used in the field of aviation,aerospace and other high technology because of excellent properties. The resistance of 3D braiding composites to high-temperature is an important application. In this paper, the heat conduction characteristics of a revolving thin wall under high-temperature are obtained through the heat conduction analysis of a 2.5D braiding CFRP engine structure. Then, through the test under the ground state of oxygen enrichment, it is proved that the structure can be used under high-temperature of 950℃ for long time. The consistency of finite element analysis and test results verifies the calculation correctness and the rationality of compensation parameters selection in test. The study has a good guiding significance to the application of 3D braiding composites in engineering.

Braiding composites, 2.5D braiding structure, Thermal structure

2017-03-28

國(guó)防基礎(chǔ)科研項(xiàng)目(A0320131001)

季寶鋒，1982年出生，高級(jí)工程師，主要從事運(yùn)載火箭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。E-mail：jibaofeng12345@163.com

TB33

10.12044/j.issn.1007-2330.2017.04.003