柔性喷管复合材料增强件研制.pdf

柔性喷管复合材料增强件研制王敏耿东兵( 航天科工集团六院4 1 所航天科技集团7 0 3 所呼和浩特0 1 0 0 1 0 )摘要：本文概述了柔性喷管复合材料增强件的研制过程．首先依据柔性接头增强件的工作环境及受力情况确定选用的基体材料和增强材料，由性能测试确定满足使用要求的材料，同时利用有限元分析对材料强度进行失效校核，使复合材料增强件满足柔性喷管工作要求．主题词：柔性接头，复合材料，增强件1前言柔性喷管是一种新型、全轴摆动推力欠量控制系统柔性喷管具有推力损失小、能提供大侧向力、重复性好、成本低、可靠性高等特点，能满足各类大型发动机推力矢量控制要求，具有广阔的应用前景柔性喷管执行摆动的部分是柔性接头，柔性接头主要由弹性件和增强件组成增强件是柔性接头在受到轴向及横向载荷作用时使柔性接头保持基本结构形状的承力件，因此增强件应满足保护柔性接头、防止柔性接头受压变形的要求，同时还虑满足发动机长期贮存的要求用作柔性接头的增强件材料有金属村料和复合材料，其中复合材料增强件在柔性接头上的应用，充分发挥了复合材料的可设计性，降低了喷管质量，提高了喷管效率，是材料发展的必然趋势依据增强件的工作环境，作为柔性接头的增强件应当是一种高比强度、高比模量、有良好的力学性能和工艺性能，与相邻材料相容且有优异的耐老化性能的复合材料制品。

2 材料研究2 ．1 树脂基体的选择树脂基体在复合材料中起着重要的作用，基体材料赋予复合材料各种优良的综合性能增强纤维通过树脂基体的固化粘接成一个整体，同时基体材料以剪应力形式向纤维传递载荷，保护纤维免受外界环境的侵蚀树脂基体的选择是复合材料增强件研制首先需要解决的问题依据增强件的工作环境和工作要求，决定采用环氧树脂体系环氧树脂具有：粘附力强、收缩率低、力学性能优良( 树脂浇注体性能见表l “1 ) 、化学稳定性良好、尺寸稳定性好等优点，与纤维相容性好，且抗压强度高，能使复合材料获得所需的压缩特性一4 3 l 一表1环氧树脂浇铸体性能材料名称与牌号 性能 F ——4 66 0 4^ 6 8 05 2 0 8室温X M P a )4 1 ．33 8 ．75 1 ．95 8 ．3 1室温E G P a )3 ．3 23 ．7 93 ，3 03 ．7泊松比0 ．3 10 ．3 60 ．2 8c ．( ％)0 ．8 20 ．9 81 ．41 ．81 5 0 ℃X M P a )2 7 ．2 ( 1 0 0 ℃)1 5 ．44 2 ．74 4 ．61 5 0 ℃E G P a )1 ．1 3 ( 1 0 0 ℃)1 ．3 02 ．1 62 ．5 91 , 5 0 ℃泊松比0 ．4 20 ．3 11 5 0 ℃￡。

％)l - 42 ．21 ．9室温X M P a )6 0 ．49 9 ．31 0 68 9 ．1 8室温E ，( G P a )3 ．7 33 ．9 43 ．7 23 ．4 31 5 0 ℃X M P a )4 8 ，9 ( 1 0 0 ℃)3 4 ．78 2 ．28 2 ．3 21 5 0 ℃E ，( G P a )3 ，0 01 ．5 42 ．4 82 ．6 5T g ( ℃)1 5 41 8 52 2 l1 8 0p ( g ／c m )1 ．2 31 ．2 41 ．2 51 ．2 7环氧树脂的分子结构是以分子链中含有活泼的环氧基团为特征，环氧树脂与多种类型的固化剂发生交联反应形成具有三维网状结构的不熔体型高聚物F _ 4 6 环氧树脂是由线性酚醛与环氧氯丙烷缩聚而成，含有多个环氧基团的有机高分子化合物，兼具环氧和酚醛树脂的性能，固化产物交联密度高，高温力学性能保持较高，耐热性能较高是当前航天复合材料采用的主要树脂基体，己成功地用于多种产品上M E A ·B F 3 是环氧树脂潜伏型固化剂，与环氧树脂混合后室温下很稳定，但在高温下能够很快地同化环氧树脂热变形温度在1 l O ～1 7 6 “ C 之间，铸树脂力学性能见表2 [ 2J o——4 3 2 一表2F 一4 6 ／M E A ·B F 。

体系铸树脂性能 ～、＼测试温度( ℃)＼室温1 0 01 5 0性能、＼拉伸强度( M P a )3 2 ．8 ～5 4 ．11 6 ．2l I ，3拉仲模量( G P a )3 ．61 ．91 ．6弯曲强度( M P a )6 0 ．93 5 ．32 5 ．1弯曲摸量( G P a )3 ．11 ．61 ．3断裂延伸率( ％)l依据增强件的性能要求，对比基体材料的性能数据决定采用卜4 6 ／M E A ·B F 体系作为增强什的基体材料环氧树脂是含有低分子量聚合物、齐聚物的混合物，各部分含量的变化影响环氧树脂的官能度大小、分子量及分子量分布、软化点等的变化这些质量上的变化对树脂系统的反应活性、工艺性及固化物的性能均有很大的影响同时固化剂的质量对环氧树脂体系性能及固化产物存在影响，质量好的M E A ·B F 3 较质量差者所制作的复合材料的高温弯曲强度高6 ～8 倍，弯曲模量高2 倍左右”1 因此在复合材料生产中，应严格控制备组分的质鼙．确保复合材料整体质量2 ．2 增强材料的选择增强纤维是树脂基复合材料的主要承载部分，起增强骨架的作用它可以降低树脂的固化收缩率．提高复合材料的力学性能、耐热性能等。

基于增强件的工作环境及性能要求，选择碳布、高强玻璃布作为研究对象首先采用碳纤维、高强玻璃纤维混编织物，压缩强度无法满足技术指标改用l K 和3 K 碳布进行改进研究，1 K 、3 K 碳布完全满足技术指标，选择1 K 碳布作为增强材料综合考虑增强件主要受力情况，采用无纬布进行增强铺层 性能数据见表3 ) 表3不同增强材料的力学性能拉伸强度( M p a )压缩强度( M p a )层间剪切强度( M P a )l K 碳布3 7 93 1 15 0 ．6碳玻混编2 2 44 0 ．3l K 平纹碳布5 2 93 7 84 9 ．93 K 平纹碳布4 6 03 4 25 4 ．11 K + 无纬布5 8 73 9 25 2 ．02 ．3 强度计算2 ．3 ．1 增强件所受应力在发动机燃烧室压强P c 作用下，当喷管摆动±0 角时，在增强件外侧出现拉伸应力，内侧出现压缩应力，一般内侧应力大丁I 外侧应力因此只计算内侧应力，并且以此应力作强度校核，采用有限元对增强件进行应力分析一4 3 3 ——2 ．3 ．2 材料强度计算蔡一吴( T s a i —W u ) 张量多项式准则方程，既考虑了材料的正交异性，并照顾到纤维增强复合材料的特点，是复合材料强度的较为完整的判据。

T s a i —W u 失效准则方程为：互0 1 + F 20 2 + E ．o ：- { - 2 F , 2 0 1 0 2 + E 2 0 ：+ 瓦o ：= 1采用T s a i —W u 火效准则方程对材料进行强度校核，材料失效判据数据见表4 一4 3 4 一( 3 ．2 )表4材料强度失效判据数据X tM P a4 8 6X cM P a4 0 9Y tM P a3 7 9Y cM P a3 1 1SM P a4 3 ．7F I- 0 ．0 0 0 3 8 7 3 7 5F 2—0 ．0 0 0 5 7 6 9 1 2F l l5 ．0 3 0 8 4 E 一0 6F 2 28 ．4 8 3 9 9 E - 0 6F 6 60 ．0 0 0 5 2 3 6 4 5F 1 2 +_ 0 ．3F 1 2- 1 ．9 5 9 9 3 E —0 6K 102 0 6 1 2 2 5 3增强件所受应力的材料失效方程K l = 0 ．2 0 6 1 2 2 5 3 远远小于1 ，材料是安全的E 0 1 + F ：o ：+ E ，a ；+ 2 E ：o ，0 2 + E 2 0 ；+ 瓦o ：< 13 工艺研究模压工艺是模塑料在温度和压力作用下转变为模压制品的过程，模压成型制品尺寸准确、表面光洁，结构复杂的制品可一次成型，无需有损制品性能的辅助加工，制品的外观及尺寸的重复性好。

由于增强件产品侧壁较薄、尺寸精度高、不允许机加且型面为同心球面，因此采用模压工艺3 ．1 模具设计．模具设计是否台理，直接影响产品的质量柔性接头增强件产品为球形截面、壁薄、产品尺寸精度高，且所有增强件产品球半径各不相同，但必须保证同心针对以上特点，依据产品尺寸及相关计算进行模具设计，综合考虑了产品收缩率及模具热胀冷缩的影响．同时为便于装模操作，对阳模进行了适当的减重处理，使模具设计更合理模具中设计有定位装置，防止胶布滑移，精确控制产品外形尺寸采用数控中心进行模具加工，控制产品的球半径及同心3 ．2 模压工艺——4 3 5 ——图1模压工艺流程图经过试模及修模后．模压的增强什产品满足设计要求( 产品照片见图2 ，产品厚度检测数据见表5 ，柔性接头模拟件见图3 ) ——4 3 6图2 产品照片表5 产品厚度检测数据产品厚度( m i l l ) 序号产品重量II IⅡIⅣ1 ( 试模件)3 ．3 43 ．3 03 ．3 43 ．3 52 5 5 ．823 ．5 53 ．5 43 ．4 83 ．5 22 5 7 ．4一嘉图3 柔性接头模拟件4 结论以碳布／酚醛环氧制造的柔性接头增强件，各项性能数据均满足设计要求，是柔性接头高性能、高比强度、高比模量的承力件，且增强件力学性能和工艺性能良好，与相邻材料相容且有优异的耐老化性能，适宜应用于各类大型固体火箭发动机的柔性喷管中．参考文献[ 1 ] 张骏华，复合材料结构设计指南，宇航出版社，1 9 9 9 。

[ 2 3导弹与航天丛书，村料工艺，宇航Ⅲ版社，1 9 9 3 ．一4 3 7 —。