玻璃鋼定向器老化性能及蠕變行為研究

蘇騰騰，于存貴，宋 濤

(南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，南京 210094)

為了適應(yīng)現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)突發(fā)性、速?zèng)Q性、機(jī)動(dòng)性和靈活性等要求，必須將武器輕量化作為一個(gè)重要研究方向，采用非金屬?gòu)?fù)合材料是實(shí)現(xiàn)輕量化的重要途徑之一，玻璃鋼逐步取代傳統(tǒng)金屬成為定向器用材料的首要選擇［1-2］。在長(zhǎng)期的貯存中，玻璃鋼的老化性能對(duì)定向器可靠性和壽命有很大的影響。

為了保證玻璃鋼定向器貯存的安全可靠性，本文深入研究定向器用玻璃鋼材料的老化性能及蠕變行為，并提出相應(yīng)的蠕變估算方案，為非金屬定向器的貯存可靠性及壽命預(yù)測(cè)研究提供一種思路。

1 玻璃鋼定向管老化性能研究現(xiàn)狀

1.1 玻璃鋼定向器倉(cāng)庫(kù)貯存環(huán)境

定向器是火箭炮儲(chǔ)運(yùn)發(fā)射箱的重要組成部分，對(duì)火箭彈的貯存可靠性、安全性有重要的保障作用［3］，貯存環(huán)境對(duì)玻璃鋼定向器的壽命有很大影響，采取一些措施保障庫(kù)房環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)，如控制溫濕度在一個(gè)合理的范圍內(nèi)是保證定向器貯存壽命指標(biāo)的重要手段。

彈藥的貯存庫(kù)房環(huán)境條件相對(duì)其他軍用物資更為嚴(yán)格，定向器的貯存環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)從延長(zhǎng)彈藥的保管年限，保持彈藥的良好狀態(tài)出發(fā)，根據(jù)軍用物資貯存環(huán)境要求，彈藥貯存的溫度應(yīng)該控制在5 ～20℃范圍內(nèi)，相對(duì)濕度應(yīng)控制在55% ～65%范圍內(nèi)［4］。

1.2 研究方法

諸多外界因素的聯(lián)合作用使復(fù)合材料產(chǎn)生老化，裂紋由表層慢慢深入內(nèi)部，進(jìn)而破壞復(fù)合材料的基體、增強(qiáng)體與界面之間的關(guān)系，從而引發(fā)材料性能的變化。玻璃鋼老化一方面受到環(huán)境等外界因素的影響，也與所選用的纖維、樹脂種類和成型工藝等有關(guān)［5］。目前廣泛使用的老化研究方法主要分為自然老化和加速試驗(yàn)老化。

自然老化是將典型的制品或使用條件作為對(duì)象進(jìn)行系統(tǒng)的研究，典型的使用條件有大氣曝曬、庫(kù)存、加熱、水浸泡和化學(xué)侵蝕。加速試驗(yàn)主要以人工氣候試驗(yàn)、濕熱試驗(yàn)和煮沸等為手段。

1.3 研究現(xiàn)狀

隨著火箭武器輕量化發(fā)展，玻璃鋼被廣泛應(yīng)用于軍工產(chǎn)品，定向器用玻璃鋼采用環(huán)氧樹脂和輔料為基體材料，以玻璃纖維及其織物為增強(qiáng)材料復(fù)合而成，制造時(shí)一般采用玻纖纏繞工藝。

根據(jù)《玻璃鋼的耐候性》中關(guān)于定向器用玻璃鋼材料的老化試驗(yàn)數(shù)據(jù)，環(huán)氧樹脂玻璃鋼在室內(nèi)存放八年的彎曲強(qiáng)度保留率大于80%，大氣曝曬三年后的彎曲強(qiáng)度保留率大于95%，玻璃鋼作為定向器用材料，其耐老化性能滿足長(zhǎng)期貯存的要求。

對(duì)某玻璃鋼彈藥包裝筒進(jìn)行露天惡劣條件的實(shí)彈包裝貯存試驗(yàn)，考察其長(zhǎng)期貯存的可靠性，試驗(yàn)表明，貯存15 a 后彈藥各項(xiàng)指標(biāo)均滿足發(fā)射爆炸需要，所以玻璃鋼定向器能夠作為火箭彈包裝筒進(jìn)行長(zhǎng)期貯存，并具有很好的可靠性［6］。

2 玻璃鋼定向器的蠕變行為

2.1 蠕變機(jī)理

為了預(yù)測(cè)玻璃鋼定向器長(zhǎng)期貯存后的使用可靠性，要研究長(zhǎng)期恒定應(yīng)力條件下，玻璃鋼定向器的蠕變變形。從材料角度來(lái)看，玻璃鋼的蠕變性能除了與溫度有關(guān)，還與其組成材料、組成比、成型工藝等因素有關(guān)。大量研究表明玻璃纖維的蠕變變形很小，Pearson 用玻璃棒進(jìn)行1 000 h 的蠕變?cè)囼?yàn)，蠕變量是彈性應(yīng)變的0.2%［7］，玻璃鋼的蠕變性能主要與樹脂相關(guān)，在長(zhǎng)期靜載作用下，樹脂分子沿力場(chǎng)方向重新組合排列，原本卷曲的分子伸直直到拉斷，宏觀表現(xiàn)為材料發(fā)生蠕變變形。

對(duì)玻璃鋼定向器進(jìn)行蠕變變形預(yù)測(cè)，結(jié)合定向器在直線度、圓度方面的形位誤差要求，可判斷玻璃鋼定向器貯存壽命周期內(nèi)任意時(shí)間段的使用性能和可靠性。

圖1 為復(fù)合材料的蠕變曲線，與金屬材料類似，蠕變大致可劃分為早期蠕變階段、穩(wěn)態(tài)蠕變階段和加速蠕變階段。早期蠕變階段蠕變速率隨時(shí)間增長(zhǎng)不斷下降，穩(wěn)態(tài)階段蠕變速率最小且基本保持不變，持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)，加速階段速率突然加快，最終導(dǎo)致斷裂。

圖1 復(fù)合材料蠕變曲線

2.2 蠕變模型

蠕變模型大概可分為經(jīng)驗(yàn)形式、元件組合形式、積分形式3 種。經(jīng)驗(yàn)形式模型是用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析擬合驗(yàn)證而得到，但是一般只能描述蠕變前兩個(gè)階段，不能表示加速蠕變階段。最能反映材料蠕變性能的是元件組合形式，它是由理想彈性元件和粘性元件組合而成，例如比較著名的三元素模型、Maxwell 模型、Kelvin 模型等。積分形式用于外力不是常數(shù)時(shí)，材料應(yīng)力、應(yīng)變和時(shí)間之間的關(guān)系。

2.2.1 Schapery 蠕變理論［8］

由于多數(shù)聚合物僅在較低應(yīng)力和較低溫度下呈現(xiàn)線性黏彈行為，Schapery 蠕變理論克服Boltzman 模型局限，從不可逆過程熱力學(xué)熵增加原理和自由能概念出發(fā)，建立等溫單向應(yīng)力條件下非線性黏彈性本構(gòu)方程［9］

設(shè)材料蠕變服從冪律:

由式(1)、式(2)可以得出:

g1、g2是與應(yīng)力有關(guān)的材料參數(shù);ΔA(ψ)為蠕變?nèi)岫鹊暮瘮?shù);ψ、ψ'是折算時(shí)間;為了便于分析，取σ 為常數(shù);C、n 為材料常數(shù);K'σ是與應(yīng)力相關(guān)的材料參數(shù)。

2.2.2 Rabotnov 蠕變理論［10］

在早期蠕變階段，變形主要是剪切屈服，基體中的纖維誘發(fā)細(xì)小的裂紋，形成損傷，到蠕變中后期裂紋對(duì)蠕變變形起主導(dǎo)作用［11］，本研究基于Kachanov-Rabotnov 理論，建立定向器用玻璃鋼材料的蠕變模型。Rabotnov 蠕變理論公式如下:

式(4)中:D 為損傷變量;D =0 時(shí)材料無(wú)損;D =1 時(shí)材料破壞;A≥0，n≥1 為材料常數(shù)。

當(dāng)初始條件t=0，D =0;斷裂時(shí)t =tf，D =1，對(duì)式(5)進(jìn)行積分得:

將初始條件t=0，εc=0，將式(6)代入式(4)積分得:

式(7)中前一項(xiàng)代表剪切屈服對(duì)蠕變變形的貢獻(xiàn)，后一項(xiàng)表示裂紋擴(kuò)張引起的損傷對(duì)蠕變的貢獻(xiàn)。

蠕變的初始階段，剪切屈服占主要作用，可得蠕變變形為

蠕變的穩(wěn)態(tài)階段，損傷量很小，可認(rèn)為D=0，代入式(4)積分可得

蠕變斷裂時(shí)t=tf，εc=εf，代入式(7)得:

3 蠕變估算試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方案及結(jié)果

取玻璃鋼定向器最薄處厚度作為工字型試樣的厚度，采用E 玻纖作為增強(qiáng)材料，雙酚A 型環(huán)氧樹脂作為基體的玻璃鋼試樣，在牽引機(jī)的作用，進(jìn)行1 000 h 的拉伸蠕變?cè)囼?yàn)，試驗(yàn)溫度為常溫。

為了消除試樣加工中的殘余應(yīng)力，保證試驗(yàn)過程中工作區(qū)域的有效變形和破壞，在試驗(yàn)前對(duì)試樣進(jìn)行加載，載荷為蠕變應(yīng)力的90%，再進(jìn)行卸載，重復(fù)10 次，保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性。試驗(yàn)過程中試樣斷裂時(shí)，試驗(yàn)即終止。分別對(duì)3 種不同應(yīng)力水平下的試樣進(jìn)行測(cè)量，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1。

表1 玻璃鋼蠕變變形量

3.2 試驗(yàn)結(jié)果評(píng)判

將所得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行線性擬合，得到圖2所示的曲線。在計(jì)算機(jī)中將Schapery 蠕變理論模型和Rabotnov 蠕變理論模型中的未知參數(shù)進(jìn)行回代驗(yàn)證，得到兩種模型中玻璃鋼材料的相關(guān)參數(shù)，由數(shù)學(xué)模型函數(shù)關(guān)系可知兩種模型對(duì)于玻璃鋼材料蠕變的初始階段和穩(wěn)態(tài)階段的描述很好，但是Rabotnov 蠕變理論模型對(duì)于中后階段的蠕變描述則更為合適，Schapery 蠕變理論模型則中后期趨于平緩，不能描述加速階段蠕變速率突然增大直至材料失效，如圖3所示。

圖2 蠕變變形試驗(yàn)擬合曲線

圖3 Schapery、Rabotnov 模型蠕變變形對(duì)比

4 結(jié)論

目前，復(fù)合材料蠕變?cè)囼?yàn)研究明顯領(lǐng)先與理論研究，而且樹脂基復(fù)合材料蠕變性能研究還沒有形成系統(tǒng)。一方面由于復(fù)合材料的種類繁多，另一方面由于影響因素較多，對(duì)于常見的工程用樹脂基復(fù)合材料的蠕變性能也沒有定量的研究結(jié)論。

本文從復(fù)合材料本構(gòu)關(guān)系研究，希望為深入研究復(fù)合材料蠕變模型、控制設(shè)計(jì)材料的蠕變提供理論基礎(chǔ)。希望可以結(jié)合有限元仿真軟件，通過二次開發(fā)等方式，將玻璃鋼定向器的蠕變本構(gòu)模型寫入程序，通過仿真，預(yù)測(cè)玻璃鋼定向器在一定貯存壽命周期內(nèi)的蠕變變形。

［1］李培珍，李志剛.復(fù)合材料定向管力學(xué)特性仿真［J］.兵工學(xué)報(bào)，2012(11):1404-1408.

［2］張中利，黨玉功，樂貴高，等.玻璃鋼定向器熱彈性能數(shù)值仿真與分析［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2010(4):77-880.

［3］王軻，張福祥.玻璃鋼制火箭炮定向器的強(qiáng)度研究［J］.彈道學(xué)報(bào)，2003(2):39-43.

［4］GJB 2770—1996，軍用物資貯存環(huán)境條件［S］.

［5］Jun Koyanagi，Genyakiyota，Takashi Kaniya and Hiroyuki Kawada.Prediction of creep rupture in unidirectional composite Creep rupture model with interfacial debonding and its propagation［J］.Composite Mater，2004(13):199-213.

［6］趙錫鑫，王海明，朱志敏.某新型非金屬定向管老化性能測(cè)試及壽命估算方案研究［J］. 火炮發(fā)射與控制學(xué)報(bào)，2013(2):55-58.

［7］周祝林，楊云娣. 纖維增強(qiáng)塑料蠕變機(jī)理的初步探討［J］.玻璃鋼/復(fù)合材料，1985(8):29-33.

［8］Schapery R A.Workshop on a continuum approach to damage and life prediction ［J］. National Science Federation，1980:119-133.

［9］Papanicolaou G C，Xepapadaki A G，Pavlopoulou S，et al.On the investigation of the stress threshold from linear to nonlinear viscoelastic behaviour of polymer-matrix particulate composites［J］.Mech Time-Depend Mater，2009(13):261-274.

［10］Rabotnov Yu M. Creep problems in structural members.Amsterdam:North-Holland，1969.

［11］樊建平，彭立華，沈?yàn)?正交玻璃布/環(huán)氧復(fù)合材料蠕變損傷試驗(yàn)研究［J］.復(fù)合材料學(xué)報(bào)，1995，12(4):84-88.