應(yīng)變隔離墊高溫力學(xué)性能試驗(yàn)及應(yīng)力分布規(guī)律

孔斌, 楊家勇, 王曼, 張慶茂, 黃杰, 姚衛(wèi)星,3

(1.南京航空航天大學(xué) 飛行器先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 南京 210016;2.中國航空工業(yè)集團(tuán)公司 成都飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所, 四川 成都 610091;3.南京航空航天大學(xué) 機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)及控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 南京 210016)

航天飛機(jī)軌道器在發(fā)射和再入階段受到氣動(dòng)加熱的作用[1-3],為保證內(nèi)部機(jī)體結(jié)構(gòu)在可承受的溫度范圍內(nèi),需要在機(jī)體表面附加熱防護(hù)系統(tǒng)(TPS)[4-6],即熱防護(hù)系統(tǒng)起到阻隔外部熱量進(jìn)入到內(nèi)部結(jié)構(gòu)的作用,其平面形狀通常為矩形,寬度大約為50～300 mm,TPS通常由涂層、防熱瓦、及SIP構(gòu)成。TPS最上面為高輻射率的涂層,輻射率通常高于0.8,其主要作用是將大部分氣動(dòng)熱輻射到大氣中,對結(jié)構(gòu)傳熱性能影響較小;下層是防熱瓦,它是一種低導(dǎo)熱系數(shù)的材料,是TPS隔熱的最主要部件,其厚度一般在20～100 mm范圍內(nèi);防熱瓦通過應(yīng)變隔離墊與機(jī)體粘接在一起,而應(yīng)變隔離墊主要作用是保證防熱瓦與機(jī)體之間的變形協(xié)調(diào),其厚度往往在1～8 mm之間,且主要由nomex纖維構(gòu)成。

TPS除了抵御外部氣動(dòng)加熱外,還受到外部氣動(dòng)力的作用,在這些機(jī)械載荷作用下SIP將產(chǎn)生應(yīng)力、應(yīng)變響應(yīng),若SIP的應(yīng)力或應(yīng)變超出其允許的最大值時(shí)SIP將發(fā)生破壞,造成防熱瓦與機(jī)體表面的分離與TPS的失效,軌道器將發(fā)生災(zāi)難性的事故,故TPS設(shè)計(jì)時(shí)必須進(jìn)行SIP的力學(xué)響應(yīng)分析,其前提條件是需要獲得SIP的力學(xué)性能參數(shù)。

目前應(yīng)變隔離墊力學(xué)特性的研究還非常少,Sawyer等[7-8]通過試驗(yàn)研究了室溫下SIP的力學(xué)特性,獲得了在拉伸和剪切載荷作用下SIP的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和破壞應(yīng)力,取得了一些重要的研究成果。但是前人的研究環(huán)境為室溫,由于氣動(dòng)加熱的作用SIP通常處于100～350℃溫度環(huán)境下,故需要研究高溫對SIP力學(xué)特性的影響,獲得高溫下SIP的力學(xué)性能參數(shù),并為后續(xù)SIP的力學(xué)分析提供輸入條件,這對SIP的強(qiáng)度以及TPS的完整性至關(guān)重要。

為了研究SIP在高溫下的力學(xué)特性,本文設(shè)計(jì)了SIP的平拉、平壓和平剪試驗(yàn)件以及試驗(yàn)夾具,在常溫(23±2℃)和300℃高溫環(huán)境下進(jìn)行了拉伸、壓縮和剪切試驗(yàn),獲得了試驗(yàn)件的載荷-位移曲線、彈性模量及破壞應(yīng)變,并根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了高溫和室溫環(huán)境下SIP的應(yīng)力分布規(guī)律研究。

1 SIP高溫力學(xué)性能試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)件

SIP是TPS的重要組成部分，如圖1所示。本文測試用的SIP是通過針刺技術(shù)制備而成的nomex織物,為了研究其在高溫下的基本力學(xué)性能,本文設(shè)計(jì)了3類試驗(yàn)件,分為拉伸、壓縮和剪切試驗(yàn)件,試驗(yàn)件尺寸和實(shí)物圖分別如圖2和圖3所示。為了研究溫度對SIP的力學(xué)特性的影響規(guī)律,考慮了常溫(23±2℃)和300℃高溫2種試驗(yàn)環(huán)境。拉伸試驗(yàn)件上、下立方體鐵塊通過中間SIP粘接在一起;壓縮試驗(yàn)件僅為SIP;而剪切試驗(yàn)件上、下鐵板通過中間SIP粘接在一起,構(gòu)成單搭接的型式。圖2中的試驗(yàn)件尺寸L1=L2=60 mm,L3=120 mm及L4=60 mm,此外SIP厚度H=2 mm。由此可知共有6組試驗(yàn),每組試驗(yàn)有5件試驗(yàn)件,試驗(yàn)件共30件,試驗(yàn)件編號(hào)規(guī)則為:T(C,S)-N(H)-1(2,3,…,5)。其中T代表拉伸試驗(yàn),C代表壓縮試驗(yàn),S代表剪切試驗(yàn);N代表常溫環(huán)境,H代表300℃高溫環(huán)境;1(2,3,…,5)為試驗(yàn)件號(hào)。

圖1 TPS標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)

圖2 試驗(yàn)件尺寸

圖3 試驗(yàn)件實(shí)物圖

1.2 試驗(yàn)方法

本文的試驗(yàn)環(huán)境分常溫(23±2℃)和300℃高溫兩類,試驗(yàn)采用MTS370.25單軸拉、壓試驗(yàn)機(jī)。針對高溫試驗(yàn),將試驗(yàn)機(jī)夾頭和試驗(yàn)件置于高溫環(huán)境箱中以達(dá)到加熱試驗(yàn)件到指定溫度的目的。此外高溫試驗(yàn)還需要在試驗(yàn)結(jié)束后向環(huán)境箱注入液氮以達(dá)到快速冷卻環(huán)境箱中的溫度的目的。

根據(jù)拉伸試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)ASTM Standard C297/C297M-04[9]、壓縮試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)ASTM Standard C365-03[10]和剪切試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)ASTM Standard C273/C273M-07a[11],拉伸、壓縮和剪切試驗(yàn)件的加載情況如圖4所示,通過試驗(yàn)機(jī)的測力傳感器和位移傳感器可以測得試驗(yàn)過程中載荷-位移曲線。

圖4 試驗(yàn)件加載圖

在拉伸和壓縮試驗(yàn)過程中載荷P可表示為:

P=K·δ=σ·S

(1)

式中,K為載荷-位移曲線的斜率,δ為位移傳感器測試的位移,σ為SIP應(yīng)力,S為SIP面積。又因?yàn)閼?yīng)力-應(yīng)變關(guān)系:

(2)

式中,E為SIP的拉伸或壓縮彈性模量,ε為SIP應(yīng)變,t0為SIP厚度。由(1)式和(2)式可得SIP的拉伸和壓縮彈性模量的計(jì)算式:

(3)

而在剪切試驗(yàn)過程中載荷P可表示為:

P=K·d=τ·S

(4)

式中,d為位移傳感器測試的剪切試驗(yàn)件受載后的相對位移,τ為SIP剪應(yīng)力。又因?yàn)閼?yīng)力-應(yīng)變關(guān)系:

(5)

式中,G為粘接層剪切彈性模量,γ為粘接層剪切應(yīng)變。由(4)式和(5)式可得SIP的剪切彈性模量的計(jì)算式:

(6)

當(dāng)獲得試驗(yàn)過程中的載荷-位移曲線的斜率K后,可以通過(3)式和(6)式計(jì)算SIP的拉伸模量、壓縮模量和剪切模量。由于拉伸和剪切試驗(yàn)中SIP會(huì)破壞,而一般情況下壓縮試驗(yàn)中SIP并不會(huì)破壞,載荷會(huì)持續(xù)上升,最后由夾具承載。故針對拉伸和剪切試驗(yàn),選取50%最大載荷與原點(diǎn)連線的斜率作為K值,而針對壓縮試驗(yàn),選取初始近似線性段的斜率最為K值。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 載荷-位移曲線

首先考慮壓縮試驗(yàn),高溫下典型的載荷-位移曲線如圖5所示。

圖5 高溫下壓縮試驗(yàn)典型載荷-位移曲線

可以觀察到載荷-位移曲線呈現(xiàn)2個(gè)階段：第1階段曲線的近似直線的斜率可視為SIP的剛度,而隨后曲線并沒有出現(xiàn)載荷下降的現(xiàn)象,且試驗(yàn)結(jié)束后進(jìn)行SIP的檢查,并未發(fā)現(xiàn)明顯的破壞。此外本文的SIP致密性較高,而非傳統(tǒng)的多孔介質(zhì)材料,故試驗(yàn)后SIP的體積變化也很小。綜上所述可得試驗(yàn)過程中SIP并未發(fā)生明顯破壞,載荷持續(xù)上升,最后主要由上、下夾具承受載荷,即圖中的第2階段。

針對拉伸和剪切試驗(yàn),高溫下典型的載荷-位移曲線如圖6所示,同樣可以觀察到載荷-位移曲線呈現(xiàn)2個(gè)階段,第1階段曲線為載荷上升階段,其近似直線的斜率可視為SIP的剛度,而載荷-位移曲線因?yàn)樵囼?yàn)件的破壞而造成的載荷下降現(xiàn)象,即第2階段的曲線。

圖6 高溫下拉伸和剪切試驗(yàn)典型載荷-位移曲線

2.2 高溫下SIP的力學(xué)性能參數(shù)

本文的拉伸、壓縮和剪切試驗(yàn)測得了試驗(yàn)件的載荷-位移曲線,將載荷-位移曲線的斜率K帶入(3)式和(6)式即可獲的SIP的拉伸、壓縮和剪切模量,此外還測得了SIP的破壞應(yīng)變,如表1所示。從表1中的結(jié)果數(shù)據(jù)可以得到以下結(jié)論:

1) 相比常溫,在300℃高溫下SIP的彈性模量均有所下降,其中SIP拉伸、壓縮和剪切彈性模量分別下降了9.68%,9.24%和8.73%,即高溫引起了SIP材料的軟化,導(dǎo)致了其剛度的下降;

2) 相比常溫,在300℃高溫下SIP的拉伸和剪切破壞應(yīng)變分別下降了11.59%和12.81%,即高溫導(dǎo)致了SIP破壞應(yīng)變的下降;

3) SIP拉伸彈性模量明顯大于其壓縮和剪切彈性模量,而壓縮和剪切彈性模量卻相近。此外SIP的剪切破壞應(yīng)變明顯大于其拉伸破壞應(yīng)變。

SIP的以上試驗(yàn)結(jié)果可作為TPS強(qiáng)度設(shè)計(jì)時(shí)SIP的輸入?yún)?shù),考慮高溫下SIP剛度和強(qiáng)度的下降以及各向異性特征能獲得更精確的SIP強(qiáng)度分析結(jié)果,提高TPS的完整性。

表1 SIP力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

3 SIP高溫應(yīng)力分布規(guī)律

航天飛機(jī)軌道器再入過程中受到氣動(dòng)吸力和表面摩擦力的作用,此外在進(jìn)行TPS的安裝時(shí)需要在防熱瓦外表面施加壓力以完成與機(jī)體表面的粘接過程。本文研究了TPS在外部氣動(dòng)吸力、安裝壓力以及剪切力作用下SIP的應(yīng)力分布規(guī)律,如圖7所示。

圖7 TPS載荷工況

分析模型自上至下依次為隔熱瓦、SIP和機(jī)體結(jié)構(gòu)。其中TPS寬度W=150 mm,防熱瓦厚度H1=45 mm,SIP厚度H2=2 mm,機(jī)體為鋁合金材料,厚度H3=1.5 mm,彈性模量E1=72 GPa,泊松比為ν1=0.3。防熱瓦彈性模量E2=70 MPa,泊松比為ν2=0.25,SIP彈性模量采用表1中的試驗(yàn)結(jié)果。根據(jù)以上參數(shù)建立了二維有限元模型,并且采用四邊形平面應(yīng)變單元進(jìn)行模擬,由于本文研究的是SIP的應(yīng)力分布規(guī)律,故假設(shè)氣動(dòng)吸力、安裝壓力以及剪切力均為0.01 MPa,且機(jī)體底部固定。

分析獲得了在氣動(dòng)吸力、安裝壓力和剪切力作用下的SIP正應(yīng)力及剪切應(yīng)力的分布情況,如圖8所示,從圖中可獲得以下結(jié)論:

1) 在局部吸力、安裝壓力和剪切力作用下,SIP應(yīng)力呈現(xiàn)中間低邊緣高的趨勢,峰值出現(xiàn)在在邊緣處,這是由于泊松效應(yīng)造成的,在粘接結(jié)構(gòu)中廣泛存在此現(xiàn)象;

2) 在局部吸力和安裝壓力作用下,SIP應(yīng)力主要為沿厚度方向正應(yīng)力,而在剪切力作用下,SIP不僅產(chǎn)生剪切應(yīng)力,還會(huì)產(chǎn)生沿厚度方向正應(yīng)力,并且正應(yīng)力一端受拉,一端受壓;

3) SIP邊緣是最薄弱的地方,最容易發(fā)生破壞,應(yīng)給予重點(diǎn)考察和足夠的重視。

圖8 SIP應(yīng)力分析有限元模型

4 結(jié) 論

1) 在常溫(23±2℃)和300℃高溫2種試驗(yàn)環(huán)境下進(jìn)行了SIP的拉伸、壓縮和剪切試驗(yàn),獲得了試驗(yàn)件的載荷-位移曲線、彈性模量及破壞應(yīng)變。

2) 相比常溫下,在300℃高溫下SIP的拉伸、壓縮和剪切彈性模量分別下降了9.68%,9.24%和8.73%,在300℃高溫下SIP的拉伸和剪切破壞應(yīng)變分別下降了11.59%和12.81%,即高溫引起了SIP剛度和破壞應(yīng)變的下降。

3) 在局部吸力、安裝壓力和剪切力作用下,SIP應(yīng)力呈中間低邊緣高的趨勢,即SIP的邊緣處是高應(yīng)力區(qū)域,是危險(xiǎn)區(qū)域。