纖維纏繞復合殼體纖維發揮強度研究

包 樂 王紀霞 張崇耿 趙 榮 張新航 張海鵬

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纖維纏繞復合殼體纖維發揮強度研究

包 樂 王紀霞 張崇耿 趙 榮 張新航 張海鵬

（西安長峰機電研究所，西安 710065）

基于網格理論，可根據工藝參數預估殼體的理論水爆壓強。通過對復合殼體點火試驗后解剖測繪，同時結合先前水爆試驗結果，反算得出纏繞纖維的實際發揮強度，從而對纖維的強度發揮系數進行修正，為后續類似復合殼體纖維纏繞提供一定的指導作用。

復合殼體；水爆壓強；發揮強度

1 引言

近年來，纖維纏繞復合材料由于具有比強度大、比模量高等特點，成為固體火箭發動機殼體的理想結構件。碳纖維的抗拉強度和彈性模量高，熱膨脹系數小，導熱系數大，密度小，比強度高以及纖維強度轉化率高，既可在結構中承載負荷，亦能作為功能材料，因此碳纖維復合材料制品發展迅速[1～3]。

網格分析是纖維增強復合材料結構中用于預測應力的一種十分重要的分析方法，網格理論認為殼體中纖維是載荷的主要載體，只承受軸向載荷，忽略基體的承載能力[4]。根據纖維纏繞結構的壁厚和纏繞角等設計參數，通過網格理論分析方法確定纖維的爆破壓強，從而使纖維在不同方向的配置與參考軸的載荷相匹配，得到合理的初始預估值，使結構設計達到優化。固體火箭發動機殼體的爆破壓強是殼體設計的重要參數，但由于工藝的限制，我們實際所得到的爆破壓強結果和理論爆破壓強有一定的誤差。

纖維纏繞制備復合材料容器時，纖維在復合材料中的破壞應力低于單向試件或絲束試驗的破壞應力，纖維強度有一定的損失，除了和纖維本身的性質有關，其中，纏繞過程中纖維的損傷、復合材料中孔隙以及復雜的應力狀態等工藝因素對纖維強度的實際發揮系數都有較大的影響。本文對點火試驗后的復合殼體進行解剖分析，結合水爆壓強逆推纖維的實際發揮強度, 用于指導后續的纏繞工作。

2 纖維纏繞殼體結構

某纏繞殼體筒段外徑200mm，設計壁厚3mm，纖維環向厚0.75mm，螺旋向厚1.50mm，殼體長度1450mm，筒段內徑97mm。復合殼體由環氧樹脂浸漬的T700碳纖維在貼絕熱層的芯模上纏繞而成。殼體纏繞模式為螺旋加環向纏繞，前后封頭為純螺旋纏繞。金屬前后接頭、前后裙與纏繞殼體之間通過彈性剪切層和粘接劑連接。殼體的前后接頭與前后裙采用鋁合金鍛件。

3 纖維纏繞爆破壓強

為了檢驗殼體的承壓能力，通常要進行水壓試驗。水壓試驗分檢驗和破壞兩種。前者用于殼體驗收，后者用于確定殼體爆破壓強、纖維發揮強度和殼體安全裕度，并借以評估設計、材料和工藝水平。固體火箭發動機殼體的爆破壓強是殼體壁厚和安全系數選取的主要依據。當殼體外徑由總體給定及殼體材料選定以后，壁厚與爆破壓強成正比，而殼體的安全系數等于爆破壓強與發動機最大工作壓強之比，因此較準確地確定殼體的爆破壓強是提高發動機質量比、可靠性和容積特性系數的重要基礎。

3.1 理論爆破壓強

纖維纏繞殼體是一種纖維增強復合材料的薄壁結構，可通過網格理論進行承載能力分析。

在爆破壓強公式的推導中，纖維的強度受纖維強度發揮系數影響，因此在實際計算中，纖維既不能取單絲強度，也不能取復絲強度和紗帶強度，原因是根據網格理論的分析計算，樹脂的抗拉模量和抗拉強度只有纖維的2%～5%，當殼體爆破時，破壞處的樹脂已起不到加強作用。所以網格理論不考慮基體樹脂的作用，也未考慮工藝影響，以及結構和界面性能影響，將殼體看作是完全由纖維纏繞而成[5]。在網格理論分析中，對于承受薄膜應力的螺旋纏繞結構，載荷將全部由纖維承擔，并應穩定地保持原來網格的形狀。

在進行碳纖維纏繞殼體的設計時首先應確定纖維的強度，由單絲強度乘以纖維強度發揮系數（亦稱纖維強度轉換率），對玻璃纖維一般有=0.75～0.85，對于有機纖維有=0.6～0.7。因為剛開始進行碳纖維復合殼體的設計、工藝以及很多特性不是很熟悉，一般保守地取纖維強度發揮系數0.65，由于纖維屬于非均衡性纏繞，且按照式（1）計算得出環向爆破壓強小于縱向爆破壓強。

纖維發揮強度=2730MPa，碳纖維單絲強度=4200MPa,強度系數取=0.65。

筒段內徑r=97mm；

設計壁厚h=1.50mm,h=0.75 mm；

3.2 實際爆破壓強

采用三層環向和三層縱向（一個螺旋回合為一層）進行了濕法復合殼體纏繞，三發復合殼體進行了水壓爆破試驗，結果見表1。

表1 殼體水爆壓強

實際殼體水壓爆破位置發生在筒身段，殼體爆破壓強均略低于理論爆破壓強，說明在現有纏繞工藝條件下，強度系數取0.65還是略為偏大。

4 纏繞殼體解剖纖維的強度發揮系數

4.1 纏繞殼體試驗件結構

復合殼體點火后經過了機加、切割等處理。即將復合殼體按照如圖2示意的尺寸解剖開。解剖分成八個部分。圖3為解剖后的一段筒身段。

圖2 復合殼體解剖示意圖

圖3 解剖后的筒段

4.2 解剖測量

纏繞層數以及每層厚度的測試情況見表2。

表2 復合殼體解剖后纏繞層數以及層厚測試結果

由于纏繞線型按照3環、3縱纏繞，在計算實際纖維發揮強度時，環向厚度和螺旋向厚度應該均乘以3，而且由于筒段纖維體積含量為68%，實際纖維厚度應還分別乘以0.68。

4.3 計算纖維發揮強度

式中：=40°；h=1.55mm；h0.78mm；r=97mm；計算得：纖維的發揮強度=2492MPa。

實際發揮強度結果與設計值接近，說明設計過程中將纖維強度發揮系數取0.65，比較符合目前的設計和工藝水平。

實際纖維發揮強度與實際水爆情況得到印證，對于后續優化纏繞線型進而提高纖維強度發揮系數具有指導和參考意義。

5 結束語

a. 從碳纖維纏繞復合殼體點火解剖試驗結果分析得出，實際纖維發揮強度為2492MPa，低于理論計算纖維發揮強度。

b. 通過實際纖維發揮強度的計算，對后續優化纏繞線型，適當增加環向纏繞層厚度，進而提高纖維強度發揮系數具有指導和參考意義。

1 陳明義. 先進復合材料在戰略導彈固體發動機上的應用現狀與展望[J]. 宇航材料工藝，1990(4)：1～8

2 孫浩偉，李濤. 碳纖維及其復合材料在國外軍民領域的應用[J]. 纖維復合材料，2005，22(3)：65～67

3 安慶升，王建昌. 某碳纖維復合材料發動機殼體設計研制[J]. 上海航天，2007，24(4)：62～64

4 胡寬. 基于網格理論的固體火箭發動機纖維纏繞殼體優化設計[J]. 兵工學報，2008，29(9)：1099～1103

5 陳汝訓. 纖維纏繞殼體設計的網格分析方法[J]. 固體火箭技術，2003，26(1)：30～32

Study on Actual Strength of Carbon Filament Winding Composite Case

Bao le Wang Jixia Zhang Chonggeng Zhao Rong Zhang Xinhang Zhang Haipeng

(Xi’an Changfeng Research Institute of Mechanical-electrical, Xi’an 710065)

On the basis of the netting analysis, the water burst test of the composite case can be calculated with the process parameters. The actual strength of winding filament could be calculated with the dissection of the composite case after field ignition experiments, combined with the previous water burst test results, the actual strength coefficient has been corrected, the guidance can be provided for the future winding design.

composite case；water burst test；actual strength

包樂（1987），工程師，材料物理與化學專業；研究方向：固體火箭發動機材料與工藝研究。

2017-05-24