復合材料多瓣易碎蓋分離過程研究*

李文龍，周光明，蔡登安

(1 中國飛行試驗研究院， 西安 710089；2 南京航空航天大學機械結構力學及控制國家重點實驗室， 南京 210016)

0 引言

導彈發射箱蓋是導彈發射裝置的重要組成部分，其主要作用是：導彈日常貯存時，箱蓋能防止箱內惰性氣體泄露并保護彈頭不受損傷；導彈發射時，箱蓋能迅速打開，保證導彈的正常發射。

傳統的發射箱蓋一般使用機械蓋或爆破蓋[1-4]，但這兩種類型的箱蓋不同程度上均存在重量大、反應時間長等缺點。復合材料以其輕質高強、可設計性強等優點[5-6]在航空航天等領域被廣泛應用，因此研制復合材料易碎蓋已成為國內外導彈發射裝置領域的新趨勢。

為實現易碎蓋的承壓和沖破性能要求，一般需要在復合材料易碎蓋上預置一些具有一定強度的薄弱區。Doane[7]研制了一種穿透式復合材料易碎蓋，導彈發射時彈頭撞擊易碎蓋上預置的薄弱區，使其破壞達到導彈迅速發射的目的。Kam[8-9]等在此基礎上設計了另一種形式的復合材料易碎蓋，該種箱蓋利用導彈發射時產生的燃氣流沖擊易碎蓋實現自動開啟，并通過預留薄弱區來控制箱蓋的破壞軌跡。國內，周光明等[10]研制了一種整體沖破式復合材料易碎蓋，由于其分離體在燃氣流的沖擊下攜帶能量較高，會對周圍的設備造成威脅，錢元[11]通過設計不同參數的薄弱區，實現了整體沖破式易碎蓋分離體的定向拋出。

考慮整體沖破式復合材料易碎蓋存在分離體重量較大的問題，基于等強度設計原則，文中提出了一種復合材料多瓣易碎蓋設計方案，并利用數值模擬和試驗兩種手段研究了復合材料多瓣易碎蓋的分離過程。

1 易碎蓋結構形式

多瓣易碎蓋采用球形結構，將易碎蓋分為4個部分：框架、球面薄弱區、柱面薄弱區和6塊完全相同的分離體子蓋，易碎蓋的結構形式如圖1所示。球面薄弱區和柱面薄弱區采用相同的結構形式，其結構形式如圖2所示。導彈日常貯存時，易碎蓋固定在發射筒上，各部分通過薄弱區連接起密封作用；導彈發射時，在燃氣流的作用下，易碎蓋各薄弱區處的膠層發生破壞，蓋體分6瓣飛出。

對復合材料易碎蓋來說，薄弱區結構的強度是影響箱蓋性能的關鍵因素之一，薄弱區結構的強度可通過改變加貼層的搭接長度L和搭接厚度δ進行調整。如果薄弱區參數選取不合理，使應力集中處的薄弱區先破壞，易碎蓋有可能因漏氣而不被沖破，影響導彈的正常發射。因此，為保證復合材料多瓣易碎蓋的沖破性能，需合理的選擇各薄弱區的參數。

圖1 易碎蓋整體結構示意圖

圖2 薄弱區結構示意圖

2 薄弱區結構設計方案

為保證復合材料多瓣易碎蓋的沖破性能，需根據不同薄弱區的應力分布，合理地設計各薄弱區域的強度。盡可能使受力不均勻的薄弱區在一定的沖破壓力作用下同時發生破壞，分離體子蓋向外四散飛出。

由于易碎蓋薄弱區結構形式實際上采用的是復合材料雙搭接結構，其強度主要受加貼層的搭接長度L和搭接厚度δ兩個參數的影響。為研究薄弱區強度隨這兩個參數的變化趨勢，文中制作了不同參數下薄弱區典型結構形式的試驗件各3個，利用萬能試驗機對試驗件進行了拉伸試驗，試驗結果如圖3所示。由圖3(a)可知，搭接厚度δ在0.1～0.4 mm范圍內時，拉伸強度隨搭接長度的增大近似呈線性增大；由圖3(b)可知，搭接長度L在2～8 mm范圍內時， 拉伸強度隨搭接長度的增大而增大，但增長速率逐漸下降。

圖3 雙搭接接頭拉伸試驗結果

在0.8 MPa的內壓作用下，通過有限元分析可得到，球面薄弱區沿球面自上而下的應力分布如圖4所示，球面中心區域的應力基本上是相等的，但在拐角處存在一定的應力集中現象，且整體的應力水平較高。而根據對稱性可知，柱面薄弱區結構的應力非常均勻。因此，根據應力水平的不同，將薄弱區可細化為4個區域如圖5所示。

圖4 球面薄弱區應力分布

基于等強度設計原則，根據圖3及各薄弱區域的應力水平差異，受易碎蓋制作工藝限制，給出了4個薄弱區域的搭接參數如表1所示，通過設置這4個強度有差異的薄弱區域，來保證各薄弱區域的破壞時間相對一致。

圖5 薄弱區按應力劃分示意圖

薄弱區類型區域編號L/mmδ/mm球面薄弱區區域140.1區域260.2區域360.1柱面薄弱區區域440.2

3 有限元建模

復合材料易碎蓋主體材料與加貼層均采用高強玻璃纖維雙向斜紋布作為增強材料，環氧樹脂作為基體材料，文中主要考慮易碎蓋的分離形式，對蓋體的鋪層設計過程不再贅述。由于易碎蓋的徑向尺寸遠大于蓋體厚度，且受計算機CPU與內存限制，因此有限元分析時將分離體子蓋和框架結構等效為二維正交各向異性殼單元。薄弱區典型結構形式試件在拉伸試驗時均表現脆性斷裂，無明顯的塑性變形。

復合材料多瓣易碎蓋的沖破分離過程是一種瞬態沖擊過程，所以可采用Abaqus/Explict進行顯式求解。易碎蓋分離過程仿真分析的關鍵在于各薄弱區域的強度校核以及對失效單元的處理，利用VUMAT編寫薄弱區材料的本構關系，考慮到薄弱區膠層結構主要為各向同性材料，強度準則采用Mises準則，當該材料的應力達到各薄弱區結構的強度時，則認為此處的單元失效，并將失效單元直接刪除。

由于易碎蓋主體結構強度遠大于薄弱區結構強度，因此分析過程中重點考慮薄弱區的破壞情況與分離體的拋出軌跡，將各薄弱區域等效為寬度1 mm的矩形區域(局部放大圖中的天藍、黃色、藍色單元)，薄弱區結構與主體結構采用共節點連接，復合材料多瓣易碎蓋的網格劃分如圖6所示。

在易碎蓋實際安裝時，將易碎蓋法蘭通過螺栓和金屬壓環固定在發射箱上，因此在有限元分析過程中在易碎蓋法蘭處施加固支約束作為邊界條件。在實際情況中，易碎蓋是在導彈發射時尾流產生的激波壓力作用下被沖破的，有限元計算時將該沖擊載荷等效為一個隨時間變化的均布壓力。該均布壓力隨時間的變化表現為后鋒鋸齒波形式，峰值載荷為0.8 MPa，作用時間為4 ms，在分析中將總的計算時間設置為5 ms，增量步長時間為0.1 ms。

圖6 復合材料多瓣易碎蓋有限元模型

由相關復合材料基本力學性能試驗可得到，易碎蓋主體材料的性能參數如表2所示，薄弱區結構的性能參數取E=3.5 GPa，μ=0.35，各薄弱區域的強度參數根據所選搭接參數的不同具體設定。

表2 復合材料性能參數

4 計算結果與分析

采用Abaqus/Explict進行計算求解，得到復合材料多瓣易碎蓋的沖破過程如圖7示。由圖7(a)可知，3.6 ms時復合材料與薄弱區域均未發生損傷，在球面與豎直邊的拐角處出現應力集中。由圖7(b)可見，3.7 ms時易碎蓋開始出現損傷，并沿薄弱區域2和區域3進行擴展。由圖7(c)可發現， 3.8 ms時薄弱區域1、2和3的單元已被全部刪除了，即球面薄弱區已經全部失效，且損傷已擴展到了柱面薄弱區。由圖7(d)可見，3.9 ms時所有的薄弱區域均已發生破壞，子蓋與框架、子蓋與子蓋間都產生了分離，分離體分6瓣飛出。

根據以上分析可知，3.7 ms時，即壓力為0.74 MPa時，易碎蓋拐角處的薄弱區首先發生破壞，并沿薄弱區擴展；至3.9 ms時，即壓力增加到0.78 MPa時，所有薄弱區均發生破壞，各分離體子蓋沿預定軌跡四散飛出。易碎蓋薄弱區從開始產生損傷，至所有薄弱區完全破壞也僅耗時0.2 ms，說明這種薄弱區結構設計方案合理，基本上保證了各薄弱區域同時發生破壞。同時，與設計沖破壓力0.8 MPa相比，仿真值為0.78 MPa，二者非常接近，驗證了文中提出的多瓣易碎蓋薄弱區結構設計方案的準確性。

5 試驗驗證

根據文中提出的復合材料多瓣易碎蓋設計方案，采用相同的材料與成型工藝制作易碎蓋3個，利用自制的模擬發射裝置進行沖破試驗。試驗裝置如圖8所示，采用螺栓和金屬壓環將易碎蓋固定在發射箱上，采用氣泵進行加載，直至箱蓋完全破壞，通過氣壓表讀取箱內壓力。

對3個易碎蓋進行沖破試驗發現，易碎蓋拐角處的薄弱區首先發生破壞，隨著箱內壓力的增加，損傷逐漸向相鄰的薄弱區擴展，最后分離體分6瓣飛出；雖然文中采用的是準靜態加載方式，但整個易碎蓋沖破過程耗時也非常短，基本上保證了各薄弱區域的同時破壞，與仿真結果基本一致。

易碎蓋沖破試驗結果見表3，沖破壓力具有較高的穩定性，試驗結果與仿真值較為接近，驗證了文中關于易碎蓋沖破性能數值模擬的準確性。與仿真值相比，實際的沖破壓力均偏低，平均誤差為7.9%，原因主要有：一是復合材料在成型過程中易產生孔洞和缺陷，使易碎蓋強度有所降低；二是實際的沖破工況，易碎蓋的約束方式與有限元模型有所差異，有限元存在一定程度的簡化。

編號仿真值/MPa實際沖破壓力/MPa與仿真值誤差/%1#2#3#0.780.7287.70.7138.60.7227.4

6 結論

1)研究了搭接長度和搭接厚度對薄弱區承載能力的影響規律，并基于等強度設計原則，提出了一種復合材料多瓣易碎蓋薄弱區結構設計方法。

2)利用Abaqus/Explict對復合材料多瓣易碎蓋的分離過程進行了數值模擬，結果表明：多瓣易碎蓋從開始損傷到完全分離僅耗時0.2 ms，基本保證了各薄弱區域同時破壞。

3)采用設計的模擬發射裝置對易碎蓋進行了沖破試驗，試驗結果表明：易碎蓋沖破性能穩定，分離體可沿預設軌跡四散飛出，試驗結果與仿真值平均誤差7.9%，驗證了設計方法的可行性。