復合材料機匣熱態強度試驗方法研究

趙 偉，郭建英，石 煒，劉佳蓬，蘇瀚生

(中國航發四川燃氣渦輪研究院，四川綿陽 621000)

1 引言

推重比是衡量航空發動機先進性的一個關鍵指標，采用先進結構和材料進行減重是提高航空發動機推重比的重要措施[1-3]。復合材料因其高比強度、高比剛度、耐腐蝕、耐鹽霧、耐老化和環境適應性強等優點，廣泛應用于航空航天領域[4]。其中，復合材料機匣在航空發動機上的應用也得到了高度重視。

在航空發動機復合材料機匣強度研究中，熱態試驗加載技術占有重要地位。機匣熱態強度試驗根據熱載荷的施加方式分為間接法和直接法兩種。間接法是通過對機匣材料進行溫度修正，使用在試驗溫度下的材料力學性能進行設計，試驗時不施加溫度載荷。直接法是設計時不對機匣材料進行溫度修正，試驗時通過加熱裝置對機匣施加溫度載荷。由于復合材料機匣的粘接層對熱載荷影響十分敏感，無法通過間接法對材料力學性能進行修正來考慮熱載荷的影響，只能通過加熱裝置直接施加溫度載荷[5-7]。

復合材料機匣熱態強度試驗需綜合考慮機械載荷加載系統、熱載荷加載系統、內壓加載系統等的作用方式，以及各加載系統之間的耦合問題。機匣熱態強度試驗的熱載荷和內壓載荷目前主要通過注入高溫高壓空氣進行加載。高溫高壓空氣加載方式對試驗場所和設備有較高的要求，溫度和壓力耦合對控制技術要求較高，試驗成本較高；且存在結構間的密封困難，難以得到較高試驗壓力狀態下的數據樣本；試驗件破壞后破裂碎片容易造成飛濺損害等問題[8-12]。針對上述問題，本文提出一種加熱層接觸導熱配合內置加壓裝置加壓的熱載荷和內壓載荷加載方法，設計了一套復合材料機匣熱態強度試驗裝置，并開展了復合材料外涵機匣相關試驗方法研究，可為復合材料機匣的強度設計、分析和驗證提供技術支持。

2 試驗方法與設計

根據復合材料機匣熱態強度考核試驗要求，提出一種復合材料機匣熱態強度試驗方法。其中，機匣內壁的熱載荷和內壓載荷通過機匣內壁設置加熱層配合內置加壓裝置實現，機械載荷通過液壓加載系統配合加載工裝實現。設計了一套復合材料機匣熱態強度試驗裝置，包括加熱、加壓、機械加載、反力約束、控制等5 個子系統。試驗裝置利用多點協調加載控制器進行控制，實現各類載荷的同步加載，加壓能力和加溫能力需滿足復合材料機匣熱態強度試驗相關精度要求。

2.1 熱載荷加載方法

熱載荷采用加熱層傳導方式實施。試驗件為錐形殼體，為保證試驗件的均溫需求，設計制造與試驗件內表面形狀尺寸相同的對開式加熱層，貼附于試驗件內表面。加熱層示意圖見圖1，其最高加溫溫度根據工程實際設計。為減小試驗過程中的熱損耗以及保證溫度載荷的穩定性，在加熱層內表面和機匣外表面設置隔熱層。為提高試驗件溫度加載的均勻性，對開式加熱層溫度獨立控制。加熱層還應具備足夠的延展性和強度，使其能夠適應機匣內表面變形，與機匣內表面盡量貼合，且封堵機匣的引氣孔，防止壓力介質沿引氣孔滲出。

圖1 加熱層分布示意圖Fig.1 Schematic diagram of heating layer

2.2 內壓載荷加載方法

內壓加載裝置是整個試驗裝置的核心部件。由于機匣內表面粘附有加熱層，因此內壓加載只能通過壓力傳遞方式實現，且內壓加載裝置需具備耐溫性和絕緣特性。為保證內壓加載的精度和均勻性，加壓介質需與機匣內壁盡量貼合接觸。目前的機匣強度試驗中，內壓加載方式大多采用在密封腔體內用高壓氣體或高壓液體加壓。該方式對試驗件的密封要求較高，且高溫條件下試驗件密封較為困難，危險性較高。本文所設計的內置加壓裝置加壓方法可有效避免上述問題，同時經過詳細設計，能有效適應試驗件的不規則表面，具有較強的使用通用性。內置加壓裝置主要包括加壓橡膠囊、傳壓流沙、隔熱層、加壓介質，其組成如圖2所示。橡膠囊采用耐溫橡膠制成，高度與試驗件相同。為滿足橡膠囊的安裝條件和減小加壓介質容量，橡膠囊結構設計為環形，內環面采用固定約束。橡膠囊膨脹量盡量設計在徑向機匣面，減小其他約束面的膨脹量。

圖2 內壓加載裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of device for internal-pressure load

受橡膠囊的耐溫指標及其制作工藝的限制，以及大多數發動機機匣表面不規則形狀因素的影響，在橡膠囊和加熱層之間設置有流沙層，向橡膠囊通入高壓空氣后，壓力通過流沙層和加熱層傳遞至機匣內表面。為保證施壓時傳壓流沙的流動性，傳壓流沙選用高目次石英砂。流沙層厚度根據壓力大小確定，同時需確保施壓狀態下高壓沙層流向低壓沙層后的厚度不為零。

2.3 機械載荷加載方法

試驗系統機械載荷加載方案如圖3所示。試驗中下機匣轉接段底面固定在加載平臺上，上機匣轉接段頂面設計機械加載盤，用于施加拉伸載荷和扭轉載荷。為消除內壓軸向膨脹給試驗件帶來的附加軸向力，設計了軸向反力裝置，該裝置既約束內壓軸向反力，也對流沙起到一定的密封作用；橡膠囊加壓口固定在反力裝置上，反力裝置設計具備一定的強度和剛度。

圖3 機械載荷加載裝置示意圖Fig.3 Schematic diagram of device for mechanical loading

2.4 控制系統

控制系統的基本組成框架如圖4所示。機匣熱態強度試驗中載荷采用多點協調加載系統進行控制，一般靜態控制精度為±1%，力載荷控制執行機構為高響應伺服閥。溫度載荷控制執行機構為溫控器。機械載荷機構采用液壓缸加載，壓力載荷采用氣壓控制閥塊加載，溫度載荷采用加熱層加載。多點協調加載控制器根據載荷譜生成命令信號，驅動伺服閥和溫控器完成載荷加載。

圖4 控制系統示意圖Fig.4 Schematic diagram of control system

氣壓控制閥塊是內壓加載的關鍵件，需兼顧伺服控制、失壓保護、流量調節功能，其原理如圖5 所示。氣壓伺服控制由三位四通伺服閥、協調加載控制器、壓力傳感器閉環控制實現，失壓保護模塊主要防止試驗件破裂后對周圍設備造成損傷。系統壓力反饋信號與命令信號超過設定值后，失壓保護模塊啟動，釋放系統壓力。當多個試驗狀態連續進行時，橡膠囊會因溫度積累升溫，需在裝置中保持一定的空氣流動量對橡膠囊降溫。

圖5 氣壓控制閥塊示意圖Fig.5 Schematic diagram of valve block for pressure control

3 試驗驗證及結果分析

3.1 試驗方案設計

某復合材料外涵機匣模擬件在發動機工況下承受機械拉-扭載荷、內表面熱載荷、內腔壓力載荷，需進行熱態強度考核試驗。復合材料機匣試驗段的外形如圖6 所示。中間錐形段為考核試驗對象，上下機匣為模擬轉接段，模擬轉接段模擬試驗件安裝邊界條件。試驗要求的載荷見表1，溫度載荷為均勻溫度，溫度載荷和壓力載荷同步施加于機匣內表面。

圖6 試驗段外形示意圖Fig.6 Schematic diagram of test piece

表1 機匣熱態強度試驗載荷Table 1 Loading of hot strength test of casing

為滿足表1 中的加載要求，試驗裝置的加載指標除滿足表1外還需保證足夠的工程設計余量。為此，試驗裝置加熱層最高加溫溫度為500℃；橡膠囊密封狀態下最大承壓1.5 MPa，最大耐溫能力100℃，徑向膨脹量不小于20.00 mm。為選取合適的流沙層厚度，采用有限元軟件對系統進行建模，預估需要的流沙層厚度和流沙受壓后的壓力分布情況。橡膠囊內加載1.5 MPa 壓力的有限元預估結果見圖7。圖中，p為流沙壓力，U1為徑向位移。圖中表明，流沙層壓力為1.5 MPa 均勻分布，橡膠囊和流沙層的徑向位移最大6.43 mm。考慮到加熱層加壓后有徑向變形，通過試驗測試，確定流沙層厚度為20.00 mm。

圖7 內壓加載裝置評估模型Fig.7 Evaluation model of device for internal-pressure load

復合材料外涵機匣模擬試驗件熱態強度考核試驗總體加載方案如圖8所示。對該系統的加載精度和內壓載荷的均勻性進行了研究和分析。

圖8 總體加載方案圖Fig.8 The overall loading scheme diagram

3.2 載荷控制及誤差分析

軸向力載荷采用一對作動器進行軸向加載，扭轉載荷采用一對作動器進行周向加載，運用氣壓控制閥塊控制橡膠囊內的空氣壓力進行內壓加載，溫度載荷采用兩段對開式錐形段加熱層分段控制進行溫度加載，試驗結果如圖9 所示。各載荷的峰值保載平均值誤差如表2 所示，力載荷誤差和溫度載荷相對誤差均小于1%，滿足試驗加載精度要求。

圖9 試驗載荷控制曲線Fig.9 Control curve of test loading

表2 試驗載荷誤差分析Table 2 Error analysis of test loading

3.3 內壓載荷加載均勻度分析

在考核試驗件外表面中部垂直于x軸的截面上周向均布4 片應變片，且應變片粘貼位置遠離引氣孔(圖10)。采用表1 中50%的內壓載荷對試驗件進行內壓加載，周向應變監測曲線如圖11所示。由曲線可得出，最高保載載荷下周向應變最大值和最小值相差65 με，說明穩態下內壓加載較為均勻，流沙層傳壓設計滿足試驗要求。試驗中傳壓流沙的回彈性較差，導致載荷上升和下降過程曲線不完全對稱，下降過程中應變有遲滯現象，但不影響機匣強度試驗考核技術要求。

圖10 試驗件應變片粘貼位置Fig.10 The position of strain gauges

圖11 試驗件周向應變監測曲線Fig.11 Circumferential strain curve of test piece

3.4 試驗結果分析

對復合材料外涵機匣試驗件進行了多個狀態的熱態強度試驗，橡膠囊外環側的溫度隨試驗時間逐漸升高，通過調節加壓空氣流量，橡膠囊一側溫度總體能夠控制在60℃以內。試驗過程中，考核試驗件內表面垂直于x軸的中間截面均勻分布的4 支熱電偶測試曲線如圖12 所示，4 個測溫點的溫度波動均在±20℃以內。圖9和圖12中顯示，加熱層溫度滿足控制精度后，試驗件內表面監測溫度隨壓力載荷的增大而升高。說明導熱式加熱效率與加熱層和試驗件的接觸狀態相關，加熱層形狀尺寸應盡量貼合試驗件加熱內表面。同類試驗中也觀察到相同現象，表明根據試驗件內表面定制的兩段對開式錐形段加熱層設計較為合理。

圖12 試驗件加載時溫度和內壓變化曲線Fig.12 Curve of temperature and internal pressure change under test load

試驗結束后對試驗件內部加壓裝置進行分解發現，流沙層高度低于初始安裝高度約10.00 mm，加熱層變薄約8.00 mm，說明試驗中的流沙層厚度設計為20.00 mm可滿足試驗要求。

4 結論

(1)針對復合材料機匣熱態強度考核試驗需求，提出一種在內外載荷和溫度載荷共同作用下的機匣熱態強度試驗方法，解決了機匣同一工作表面進行熱壓同步加載時的干涉問題；設計的基于液壓系統、空氣加壓系統、多點協調加載控制系統的機匣熱態強度試驗裝置，滿足復合材料機匣熱態強度考核試驗要求。

(2)試驗裝置可準確模擬外涵機匣試驗件的邊界條件，具有良好的適應性和較高的加載精度，壓力載荷的最大加載誤差為0.28%，溫度載荷加載精度0.70%，機械載荷的加載精度為0.63%。

(3)完成了復合材料外涵機匣熱態強度試驗，加載溫度均勻度小于±20℃，內壓加載均勻，流沙層厚度參數設計合理。