蔡 澤, 武麗麗, 柯賢朝

(1.上海航天精密機(jī)械研究所, 上海 201600；2.上海材料研究所 上海市工程材料應(yīng)用與評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 200437)

某發(fā)射筒端蓋由模塑料和金屬增強(qiáng)材料壓制而成，其內(nèi)表面有6條溝槽，正常情況下,在進(jìn)行開蓋性能測試時(shí),端蓋會(huì)沿溝槽破裂為6塊(見圖1)。端蓋中金屬增強(qiáng)材料的作用是使試驗(yàn)后的碎塊不脫落。

圖1 端蓋正常開蓋宏觀形貌

采用靜態(tài)開蓋試驗(yàn)方法(緩慢加壓直至端蓋被破壞)對(duì)端蓋進(jìn)行開蓋性能測試時(shí)，僅有4塊碎塊翻轉(zhuǎn)，另外2塊碎塊連在一起，未沿應(yīng)力溝槽擴(kuò)展，表面有裂紋但未裂開，且連在一起的碎塊未翻轉(zhuǎn)，開蓋形態(tài)異常(見圖2)。

圖2 端蓋異常開蓋宏觀形貌

對(duì)端蓋進(jìn)行檢查，在未翻轉(zhuǎn)碎塊上的裂紋處可隱約看到金屬增強(qiáng)材料，初步推斷金屬增強(qiáng)材料發(fā)生了偏移。物理破壞方法是通過將端蓋中的金屬增強(qiáng)材料暴露出來，來驗(yàn)證金屬增強(qiáng)材料是否偏移的。由于模塑料和金屬增強(qiáng)材料之間結(jié)合力較好，采用該方法會(huì)不準(zhǔn)確，因此筆者采用無損檢測方法來確定端蓋中金屬增強(qiáng)材料的偏移狀態(tài)。復(fù)合材料無損檢測的方法有超聲檢測、X射線檢測、紅外熱成像檢測等[1]。X射線檢測技術(shù)具有不受被檢測復(fù)合材料種類的影響，檢測結(jié)果直觀、可靠[2], 被廣泛應(yīng)用于復(fù)合材料的檢測中[3-5]。筆者采用X射線檢測方法對(duì)端蓋進(jìn)行無損檢測。

1 X射線檢測

對(duì)開蓋形態(tài)異常的端蓋進(jìn)行X射線檢測。根據(jù)X射線膠片的清晰程度，確定檢測條件為：單壁單影，焦距為1 200 mm，電壓為80 kV，電流為5 mA，曝光時(shí)間為3 min，顯影時(shí)在20 ℃下處理5 min，膠片沖洗時(shí)間為30 min。開蓋形態(tài)異常端蓋的X射線檢測結(jié)果如圖3所示，由圖3可知：連在一起的碎塊中的1塊的金屬增強(qiáng)材料發(fā)生了偏移，由此推斷開蓋形態(tài)異常與金屬增強(qiáng)材料偏移至溝槽有關(guān)。

圖3 開蓋形態(tài)異常端蓋的X射線檢測結(jié)果

2 仿真分析

為分析金屬增強(qiáng)材料偏移至溝槽對(duì)開蓋形態(tài)的影響，對(duì)端蓋進(jìn)行了仿真分析。正常端蓋模型如圖4所示。

圖4 正常端蓋模型

金屬增強(qiáng)材料偏移至溝槽的極限情況為2片金屬增強(qiáng)材料連接為一個(gè)整體，為了簡化計(jì)算，采用極限情況進(jìn)行仿真分析，金屬增強(qiáng)材料偏移至溝槽的端蓋仿真模型如圖5所示。

圖5 金屬增強(qiáng)材料偏移至溝槽的端蓋仿真模型

根據(jù)端蓋進(jìn)行開蓋性能測試時(shí)的實(shí)際工況，對(duì)蓋環(huán)施加全約束，在蓋體內(nèi)表面施加均布載荷0.1 MPa(載荷方向指向外表面為正)。圖6為正常狀態(tài)下開蓋性能測試時(shí)最大應(yīng)力區(qū)域分布，圖7為金屬增強(qiáng)材料偏移至溝槽后開蓋性能測試時(shí)最大應(yīng)力區(qū)域分布。由圖6，7可知：正常狀態(tài)下，6條應(yīng)力溝槽的應(yīng)力分布基本相同，在開蓋時(shí)同步打開；金屬材料偏移至溝槽，2片金屬葉片連在一起時(shí)應(yīng)力分布發(fā)生變化，金屬材料發(fā)生偏移的溝槽應(yīng)力明顯變小，6條應(yīng)力溝槽不再同步打開，開蓋性能測試時(shí)開蓋形態(tài)會(huì)發(fā)生變化。采用靜態(tài)開蓋試驗(yàn)方法時(shí)，一旦蓋體破裂會(huì)導(dǎo)致泄壓，其中應(yīng)力較小的溝槽可能不開裂，發(fā)生偏移的溝槽因無法開裂而連在一起，同時(shí)泄壓導(dǎo)致碎塊翻轉(zhuǎn)動(dòng)力下降，極限情況會(huì)出現(xiàn)碎塊不翻轉(zhuǎn)。

圖6 正常狀態(tài)下開蓋性能測試時(shí)最大應(yīng)力區(qū)域分布

圖7 金屬增強(qiáng)材料偏移至溝槽后開蓋性能測試時(shí)最大應(yīng)力區(qū)域分布

3 試驗(yàn)?zāi)M

采用飛行試驗(yàn)方法對(duì)端蓋進(jìn)行開蓋性能測試時(shí)，發(fā)現(xiàn)金屬增強(qiáng)材料發(fā)生偏移的端蓋仍會(huì)正常開蓋。對(duì)采用飛行試驗(yàn)方法測試的端蓋進(jìn)行X射線檢測，發(fā)現(xiàn)端蓋中的金屬增強(qiáng)材料偏移至溝槽，但開蓋形態(tài)正常(見圖8)。

圖8 飛行試驗(yàn)方法測試端蓋的X射線檢測結(jié)果

同樣是金屬增強(qiáng)材料發(fā)生偏移，采用靜態(tài)開蓋試驗(yàn)方法時(shí)出現(xiàn)了開蓋形態(tài)異常，而采用飛行試驗(yàn)方法時(shí)開蓋形態(tài)正常，飛行試驗(yàn)方法中端蓋會(huì)瞬間開蓋，兩種試驗(yàn)方法明顯不同，由此推斷試驗(yàn)方法也是導(dǎo)致端蓋開蓋形態(tài)異常的原因之一。

為驗(yàn)證試驗(yàn)方法對(duì)開蓋形態(tài)的影響，需模擬發(fā)射試驗(yàn)環(huán)境，而動(dòng)態(tài)開蓋是一種可以模擬發(fā)射試驗(yàn)環(huán)境的試驗(yàn)方法，該方法可瞬間釋放大量氣體，在很短時(shí)間內(nèi)對(duì)端蓋產(chǎn)生壓力使端蓋被破壞，動(dòng)態(tài)開蓋試驗(yàn)方法如圖9所示。對(duì)金屬增強(qiáng)材料偏移至溝槽的端蓋進(jìn)行動(dòng)態(tài)開蓋性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示，端蓋的X射線檢測結(jié)果如圖11所示，由圖10，11可知：采用動(dòng)態(tài)開蓋試驗(yàn)方法時(shí)，金屬增強(qiáng)材料跨過應(yīng)力溝槽不影響開蓋形態(tài)，端蓋依然破裂為6塊。試驗(yàn)?zāi)M結(jié)果表明，開蓋試驗(yàn)方法選擇不當(dāng)是開蓋形態(tài)異常的原因之一，動(dòng)態(tài)開蓋試驗(yàn)方法更接近端蓋的實(shí)際使用工況。

圖9 動(dòng)態(tài)開蓋試驗(yàn)方法示意

圖10 金屬增強(qiáng)材料偏移至溝槽端蓋的動(dòng)態(tài)開蓋試驗(yàn)結(jié)果

圖11 動(dòng)態(tài)開蓋試驗(yàn)方法測試端蓋的X射線檢測結(jié)果

4 結(jié)論與建議

X射線檢測和仿真分析結(jié)果表明：金屬增強(qiáng)材料偏移至溝槽會(huì)導(dǎo)致端蓋開蓋形態(tài)異常。對(duì)比金屬增強(qiáng)材料偏移至溝槽的端蓋，在靜態(tài)開蓋試驗(yàn)方法和動(dòng)態(tài)開蓋試驗(yàn)方法時(shí)的開蓋形態(tài)，發(fā)現(xiàn)靜態(tài)開蓋試驗(yàn)方法會(huì)導(dǎo)致開蓋形態(tài)異常，動(dòng)態(tài)開蓋試驗(yàn)方法的開蓋形態(tài)正常，表明試驗(yàn)方法選擇不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致開蓋形態(tài)異常，應(yīng)選用動(dòng)態(tài)開蓋試驗(yàn)方法。綜上分析，金屬增強(qiáng)材料偏移至溝槽和開蓋試驗(yàn)方法選擇不當(dāng)是端蓋開蓋形態(tài)異常的原因。

為避免開蓋形態(tài)異常，在后續(xù)端蓋的生產(chǎn)過程中用X射線檢測端蓋中金屬增強(qiáng)材料的狀態(tài)，將金屬增強(qiáng)材料偏移至應(yīng)力溝槽的端蓋去除，同時(shí)采用動(dòng)態(tài)開蓋方式進(jìn)行開蓋性能測試。