空间运载器推力支架用复合材料管件轴压性能研究

论文摘要

复合材料由次承力结构向主承力结构乃至大载荷主承力结构应用发展,是空间运载技术对结构材料减重的必然要求,也是复合材料技术发展的必然趋势。复合材料推力支架是空间运载器上把发动机产生的巨大推力传递到运载器主结构上的大载荷主承力结构,复合材料推力管是推力支架上最主要的大载荷主承力构件。本文就复合材料推力支架结构设计与优化,复合材料推力管的制备技术、轴压性能的理论设计和实验分析等进行了研究。强度设计一直是复合材料结构设计的难点和热点。本文建立了一种通用的复合材料极限强度分析方法——SUSC（Solving the Ultimate Strength of Composites）法。该方法基于有限元分析和优化方法对复合材料结构的极限强度进行求解。该方法最大的特点是适用于复杂应力状态下复合材料构件或者结构较复杂的复合材料构件的极限强度分析。把SUSC法应用于层合板逐层破坏强度和极限强度的分析上,与文献解析解比较,最大偏差在3%以内;与文献实验结果比较,偏差一般在15%以内。把SUSC法应用于本文T300平纹布与T700无纬带混杂铺层层合板的拉伸与压缩强度分析,准确地预报了FPF（First Ply Failure,首层失效）层和LPF（Last Ply Failure,最后一层失效）层,并且FPF强度与LPF强度的计算结果与实验结果的偏差都在15%以内。无论与文献结果比较还是与实验结果比较,SUSC法的计算精度都是令人满意的。通过有限元模型对应用于可重复使用运载器验证机X-33和Atlas V型运载火箭上复合材料推力支架的承载性能进行了分析,指出X-33型推力支架的结构形式的综合承载能力较好,适用于比较复杂的载荷条件,而Atlas V型推力支架结构形式的压缩承载能力较好,适用于以大推力为主的载荷条件。根据课题研究背景,本文选择了X-33型推力支架结构形式作为研究对象,并对推力支架的结构尺寸进行了优化设计。分析了复合材料推力管在结构尺寸优化之后的推力支架中的服役条件,应用本文SUSC法对该服役条件下复合材料推力管的轴压强度进行了分析,模拟了推力管在轴向压缩应力和弯曲应力同时作用下的逐层破坏过程。分析了轴向压缩应力与最大弯曲应力的比值对推力管极限强度的影响,指出推力管在轴向压缩应力和弯曲应力同时作用下,如果轴向压缩应力比最大弯曲应力大5倍以上,弯曲应力对推力管极限强度的影响很小。膨胀芯模法成型技术是一种比较新颖的高性能复合材料的低成本制备技术,本文对该成型技术制备厚壁复合材料圆管构件的工艺进行了研究,并应用该成型技术制备了性能优良的复合材料推力管试样。通过数值方法和SUSC法分析了缠绕角、环向缠绕层含量、铺层顺序、受压端头边缘效应和角度层-环向层界面应力等因素对缠绕管件轴压模量和轴压强度的影响规律;分析了铺层顺序、环向铺层含量、受压端头边缘效应和轴向-环向层界面应力等因素对轴向/环向正交铺层管件轴压模量和轴压强度的影响规律。根据理论分析结果设计了缠绕管件和正交铺层管件轴压性能的实验研究方案,对缠绕工艺和膨胀芯模法两种成型工艺制备的角度铺层和正交铺层复合材料推力管的轴压性能进行了大量的实验研究。理论分析和实验研究表明:（1）缠绕管件的轴压性能对缠绕角的变化非常敏感,特别是在缠绕角较小（如10～20°）时,缠绕角的增大将导致缠绕管件轴压性能显著下降,因而用缠绕工艺制备复合材料推力管时应该采用小角度缠绕技术。（2）不论是角度铺层的缠绕管件还是轴向/环向正交铺层管件,适当含量的环向层都能够显著提高管件的轴压强度。把20%的角度铺层（轴向铺层）改为环向铺层以后,缠绕角为20°的管件的轴压强度提高了一倍左右,正交铺层管件的轴压强度也提高了10%以上。（3）铺层顺序对管件轴压模量的影响很小,但是对轴压强度的影响较大。对称铺层顺序管件的轴压强度比非对称铺层顺序管件的轴压强度一般要高10%以上。其原因在于非对称铺层管件的角度层.环向层和轴向层.环向层的界面处存在明显的应力集中现象,而对称铺层有利于消除界面应力集中现象。（4）端头进行缠绕加强能够有效地消除或减轻端头的边缘效应,从而能够显著提高管件的轴压强度,提高幅度可达到30～50%。（5）就轴压性能而言,膨胀芯模法成型的正交铺层管件比缠绕管件更适合用作推力管。用同样的原材料体系制备的相同尺寸的缠绕管件的最大轴压强度为421MPa,正交铺层管件的最大轴压强度可达722MPa。

论文目录

• 目录
• 图目录
• 表目录
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• §1.1 复合材料推力支架研究背景
• 1.1.1 复合材料在空间主承力结构上的应用
• 1.1.2 复合材料推力支架的特点与国内外研究现状
• 1.1.3 复合材料推力支架的压缩性能
• §1.2 复合材料推力管的轴压性能
• §1.3 复合材料推力管的成型技术
• 1.3.1 缠绕成型技术
• 1.3.2 膨胀芯模法成型技术
• §1.4 复合材料压缩失效分析
• 1.4.1 单向板压缩失效分析
• 1.4.2 层合板压缩破坏失效分析
• §1.5 复合材料结构的计算机辅助设计
• 1.5.1 复合材料结构计算机辅助设计概述
• 1.5.2 有限元法在复合材料结构设计中的应用
• 1.5.3 复合材料层合板的计算机辅助设计
• 1.5.4 复合材料构件的计算机辅助设计
• §1.6 选题依据与研究内容
• 第二章 基于有限元和优化方法的复合材料极限强度解法
• §2.1 复合材料强度准则
• §2.2 一阶优化设计方法
• 2.2.1 优化设计概述
• 2.2.2 一阶优化设计方法原理
• §2.3 SUSC法的求解原理
• 2.3.1 SUSC法有限元建模原理
• 2.3.2 SUSC法求解思路
• §2.4 SUSC法计算结果与经典层合板理论的解析解比较
• §2.5 SUSC法计算结果与文献实验结果比较
• §2.6 SUSC法在织物与无纬带混合铺层层合板极限强度求解上的应用
• 2.6.1 织物与无纬带混合铺层层合板拉伸与压缩试样的制备
• 2.6.2 拉伸和压缩试样的有限元分析模型
• 2.6.3 数值分析与实验结果讨论
• §2.7 本章小结
• 第三章 复合材料推力支架结构设计
• §3.1 典型推力支架结构形式的承载性能分析
• 3.1.1 空间工程用复合材料推力支架常见结构分析
• 3.1.2 典型推力支架结构的有限元建模
• 3.1.3 梁元和空间管元的基本方程
• 3.1.4 推力支架承载性能分析
• §3.2 推力支架结构优化设计
• 3.2.1 推力管数量优化设计
• 3.2.2 推力支架高度优化设计
• §3.3 复合材料推力管接头设计
• §3.4 本章小结
• 第四章 复合材料推力管服役条件分析与截面优化设计
• §4.1 推力管服役条件分析
• §4.2 复杂受力状态下推力管极限强度求解
• 4.2.1 复杂应力状态下复合材料推力管有限元建模
• 4.2.2 复杂应力状态下复合材料推力管的极限强度
• 4.2.3 压缩和弯曲应力比对复合材料推力管轴压强度的影响
• §4.3 推力管截面积的优化设计
• 4.3.1 基于满应力的推力管截面积优化设计
• 4.3.2 基于双屈曲耦合失效模型的推力管截面积优化设计
• §4.4 本章小结
• 第五章 缠绕成型复合材料管件的轴压性能研究
• §5.1 缠绕管件轴压性能数值分析
• 5.1.1 缠绕管件有限元模型
• 5.1.2 缠绕管件轴压性能的表征与分析思路
• 5.1.3 缠绕角对管件轴压性能的影响
• 5.1.4 环向缠绕层对管件轴压性能的影响
• 5.1.5 缠绕管件轴压条件下的应力状态分析
• 5.1.6 考虑受压端面复杂应力的缠绕管件轴压强度分析
• §5.2 缠绕管件试样制备与实验方法
• 5.2.1 原材料体系及其基本性能
• 5.2.2 缠绕管件的制备成型
• 5.2.3 缠绕管件轴压性能测试方法
• 5.2.4 缠绕管件轴压失效实验分析
• §5.3 缠绕管件轴压实验结果分析与讨论
• 5.3.1 缠绕管件轴压模量分析
• 5.3.2 缠绕管件轴压强度分析
• 5.3.3 缠绕管件轴压失效特征分析
• §5.4 本章小结
• 第六章 膨胀芯模法成型正交复合材料管件的轴压性能研究
• §6.1 轴向/环向正交管件轴压性能数值分析
• 6.1.1 正交管件有限元模型与轴压性能分析思路
• 6.1.2 铺层顺序对正交管件轴压性能的影响
• 6.1.3 环向铺层含量对正交管件轴压性能的影响
• 6.1.4 正交管件轴压条件下的应力状态分析
• 6.1.5 考虑受压端面复杂应力的正交管件轴压强度分析
• §6.2 正交管件试样制备与实验方法
• 6.2.1 膨胀芯模法成型复合材料管件的原理和步骤
• 6.2.2 芯模用硅橡胶性能及其压力-温度曲线测试
• 6.2.3 硅橡胶芯模设计基本原则
• 6.2.4 膨胀芯模法成型工艺要点分析
• 6.2.5 膨胀芯模法成型正交管件的预浸料制备
• §6.3 正交管件轴压实验结果分析与讨论
• 6.3.1 正交管件轴压模量分析
• 6.3.2 正交管件轴压强度分析
• 6.3.3 正交管件轴压失效特征分析
• §6.4 角度铺层管件与正交铺层管件轴压性能比较
• §6.5 本章小结
• 第七章 总结与展望
• §7.1 全文总结
• §7.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士期间学术论文发表情况
• 附录A:复合材料结构分析基本理论
• A.1 复合材料力学的本构方程
• A.2 正轴/偏轴的应力应变转换
• A.3 用正轴工程常数表示的单向板刚度
• A.4 一般层合板的本构关系
• 附录B:有限元法求解各种问题的一般步骤