鎂合金尾艙水壓試驗分析

馬震宇

(鄭州航空工業管理學院航空工程系，鄭州450015)

【機械制造與檢測技術】

鎂合金尾艙水壓試驗分析

馬震宇

(鄭州航空工業管理學院航空工程系，鄭州450015)

應用魚水雷薄壁殼體結構設計方法，設計制造ZM5－T6鎂合金曲線型尾艙殼體試件，進行試件耐水壓性能試驗;在外部水壓載荷加大至1.60 MPa過程中，試件兩端口連接和密封性能穩定，各測點殼體等效應力隨外壓均按線性關系變化，最大應力值和變形量均在設計要求范圍;ZM5鎂合金用作耐水壓尾艙殼體輕量化結構材料，從設計上和工藝上能夠保證其鑄造成型質量和承壓性能。

承壓尾艙;鑄鎂合金;薄壁殼體;外水壓試驗;應力和變形

當前輕質鎂合金材料已應用于國內外不同工程領域，并呈應用范圍逐漸擴大的趨勢［1－4］。推進鎂合金在輕量化軍工裝備上的不斷應用，進一步增強鎂合金材料及結構的力學性能和耐腐蝕性，是高性能鎂合金技術研究與應用拓展的重要方向［5－6］。

國內鑄造鎂合金ZM5是廣泛使用的鎂鋁鋅系鎂合金，已批量用于戰斗機座艙天窗框架、彈體和箭體艙體殼體、飛機和車輛輪轂等軍用和民用產品［1，3］。在國內外造船和海洋工程方面，鎂鋁鋅系鑄鎂合金也有所應用［7－8］。采用ZM5－ T6材料設計制造一種耐水壓曲線型薄壁尾艙試件，施加不同外部水壓載荷，測試其結構應力和變形性能及連接密封性，以開展鎂合金在無人航行器耐壓艙體結構輕量化的應用研究。

1 耐水壓鎂合金尾艙設計結構

鎂合金ZM5材料的鑄造和機加性能良好，易于鑄成尺寸較大和形狀較復雜的鑄件，尺寸穩定性好，具有一定耐蝕性，表面處理后其抗鹽霧腐蝕能力顯著增強［9］，適于制造承受中等載荷、長時間工作溫度不超過150℃的結構件［1，10］。

基于水下短時航行器耐水壓艙體主要使用要求及鑄鎂合金特點，選擇ZM5－T6作為一種耐水壓曲線外形尾艙的結構設計制造材料，應用魚水雷艙段薄壁殼體結構工程設計方法［11］，設計承受外壓載荷的ZM5－T6鎂合金尾艙全尺寸試件。

沿尾艙殼體內壁分布設置環肋和縱筋以增強結構穩定性，殼壁上設置檢測孔蓋安裝凸臺，殼體兩端口設置內止口和內法蘭以與試驗配套件連接密封。通過結構有限元分析改進，設計獲得符合工作載荷要求的尾艙結構，圖1為結構分析網格劃分和邊界約束模型。設計的ZM5－T6曲線外形尾艙試件結構參數［12］:殼板厚度6 mm，按十字形沿內壁全長設置4條縱筋，在長300 mm圓柱段內壁上分布2道環肋，筋和肋寬度均30 mm、高10 mm。

圖1 尾艙殼體有限元網格和邊界約束

2 尾艙試件與測試方法

2.1 鎂合金尾艙試件

采用砂型重力鑄造和順序結晶方法，獲得鎂合金曲線外形尾艙鑄件，熱處理狀態T6。對鑄件兩端口和外圓做適量機加，獲得ZM5－T6鎂合金尾艙殼體試件［12］。通過化學氧化，對殼體內、外表面進行耐蝕防護處理。

試件殼體組織致密性檢查符合Ⅰ類鑄件標準，單鑄試樣化學成份和力學性能檢測值符合規定要求［13－14］。用超聲波測厚儀檢測試件不同橫截面各點處殼板壁厚，測值滿足設計公差范圍要求。

2.2 外水壓試驗方法

水壓試驗裝置和儀器包括立式敞口外水壓結構性能試驗裝置、結構應變實時采集處理系統、防水型應變片、內徑千分尺。其中，試驗配套件有連接楔環、橡膠密封圈、連接封板和外法蘭、專用工裝工具。在尾艙試件內壁分布設置十個特征測點，按要求粘貼好應變片。在試件殼體圓柱段中間截面，按十字形方位作為殼體內徑測量位置。

應變片導線從試件大口端引出連接至應變采集處理系統。尾艙殼體外壁與試驗裝置內壁之間的空間注滿淡水，分級加壓和保壓。系統自動測量和處理殼體應變、應力及等效應力。觀察記錄殼體壁面及楔環連接和水密性，測量記錄殼體內徑值。

3 外水壓試驗結果與分析

對ZM5－T6尾艙殼體試件，施加外部水壓均布載荷逐級增加至2.0 MPa。圖2是殼體筋肋和凸臺附近殼壁結構等效應力試驗測量結果，圖3給出了遠離筋肋和凸臺區殼壁等效應力試驗測量值與計算結果的對比。通過分析與比較，可知:

1)在外水壓強加大至1.60 MPa過程中，殼體各測點結構等效應力隨外壓均按線性關系增大，且σmax/σ0.2＜0.70，殼板受壓變形量最大0.37 mm。尾艙試件承載性能滿足設計要求，殼體結構參數設計合理。

2)繼續加載，尾艙結構等效應力隨外壓載荷按非線性關系變化，其外水壓載荷承受能力不低于1.95 MPa。

3)試驗過程尾艙與裝置楔環連接及殼體水密性可靠穩定，表明殼體連接密封結構參數設計合理，殼體鑄件內部組織質量良好。

4)有限元模擬計算結果能夠為薄壁尾艙結構設計優化提供指導。

圖2 尾艙殼體等效應力試驗結果

圖3 殼體等效應力測試值與計算值對比

4 結束語

應用魚水雷薄壁殼體結構工程設計方法，設計并制造一種ZM5－T6耐水壓薄壁曲線外形尾艙試件。在均布外水壓加大至1.60 MPa過程中，試件各測點結構等效應力隨外壓載荷均按線性關系增大。尾艙最大應力和變形量滿足設計要求，殼體楔環連接和水密性可靠穩定，結構參數設計計算合理。ZM5鎂合金用作無人航行器耐水壓輕量化艙體材料，從設計與工藝兩方面能夠保證薄壁尾艙的鑄造成型質量和承壓性能。

［1］張津，章宗和.鎂合金及應用［M］.北京:化學工業出版社，2004:283－304.

［2］Paul L.New magnesium alloy for aerospace and speciality applications［G］.Magnesium Technology 2004，Edited by Alan A.Luo TMS，2004:311－315.

［3］中國新材料產業發展報告(2006)—航空航天材料專輯［M］.北京:化學工業出版社，2006:51－71.

［4］肖冰，康鳳，胡傳凱，等.國外輕質結構材料在國防工業中的應用［J］.兵器材料科學與工程，2011，34(1):94－97.

［5］丁文江，吳玉娟，彭立明，等.高性能鎂合金研究及應用的新進展［J］.中國材料進展，2010，29(8):37－45.

［6］魏世丞，徐濱士，付東興，等.軍用裝備鎂合金表面防腐蝕技術研究［J］.裝甲兵工程學院學報，2006，20(6):79－83.

［7］高敬.鎂合金在運輸系統中的應用［N］.稀有金屬快報，2002(11):9－11.

［8］Tadahiro H，Satoshi T.Development of new pressure vessel with new material for underwater vehicle［C］//Proceedings of the Seventeenth 2007 International Offshore and Polar Engineering Conference，Lisbon，2007:1126－1128.

［9］手冊編委會.工程材料實用手冊［M］.北京:中國標準出版社，1989.

［10］左禹，熊金平.工程材料及其耐蝕性［M］.北京:中國石化出版社，2008.

［11］張宇文.魚雷總體設計原理與方法［M］.西安:西北工業大學出版社，1998.

［12］Zhenyu Ma，Lina Zhang，Yanping Su.Structure and test of a magnesium alloy pressure－resistant cabin［C］.Advanced materials research，2006(482－484):2491－2495.

［13］GB/T1177—1991，鑄造鎂合金［S］.

［14］HB965—82，鎂合金鑄件技術標準［S］.

［15］鄭文炳，孫曉明，王印培.大型儲氣筒水壓試驗的應力測定與分析［J］.化工機械，2009，36(5):427－429.

(責任編輯周江川)

Hydraulic Pressure Experiment Analysis of a M agnesium Alloy Tail Shell

MA Zhen－yu
(Department of Aviation Engineering，Zhengzhou Institute of Aeronautical Industry Management，Zhengzhou 450015，China)

Applying thin－walled structure engineering design method for torpedo and mine，the curve tail shell specimen was designed and fabricated with thematerial ZM5－T6，carrying out specimen performance experiment in different external hydraulic loads distributed uniformly.In the process of hydraulic loads increased to 1.60 MPa，the specimen connection and seal in two ports stabilizes，equivalent stresses of specimen in allmeasuring points increase in linear relation，maximum stress and deformation of the shell complying with the design requirement.Magnesium alloy ZM5 is used as lightweightmaterial of the pressure－resistant tail shell，the casting quality and loads bearing performance can be ensured from design and technology.

pressure－resistant tail shell;foundry magnesium alloy;thin－walled shell;external hydraulic pressure experiment;stress and deformation

:A

1006－0707(2014)07－0053－03

format:MA Zhen－yu.Hydraulic Pressure Experiment Analysis of a Magnesium Alloy Tail Shell［J］.Journal of Sichuan Ordnance，2014(7):53－55.

本文引用格式:馬震宇.鎂合金尾艙水壓試驗分析［J］.四川兵工學報，2014(7):53－55.

10.11809/scbgxb2014.07.016

2014－01－27

中船集團公司預研技術項目(62201050402)。

馬震宇(1964—)，男，碩士，研究員，主要從事飛航器動力與結構技術研究。

V214.4;V216.1