大尺寸整體C/SiC復合材料蒙皮骨架松動問題分析

張利鵬 侯保江 辛克浩 孫亦璋 王成華

（北京航天長征飛行器研究所，北京 100076）

文 摘 針對大尺寸整體C/SiC復合材料骨架和蒙皮結構在165 dB熱噪聲試驗調試過程中出現的蒙皮松動問題進行分析，提出了蒙皮與骨架裝配時空懸面積過大引起蒙皮呼吸振動幅度增加，從而導致噪聲振動環境中蒙皮松動的現象。仿真分析表明，在相同的加速度激勵下隨著蒙皮與骨架局部空懸面積變大，位移響應增大約1.72 倍；通過裝配間隙為0.2、0.6、1 mm 的3 組平板試驗件進行驗證，當蒙皮與骨架間隙較大時，其膠層厚度也較大，經過多次熱加載后，膠層粘接性能下降，蒙皮與骨架之間空懸現象顯現，在振動激勵下導致蒙皮松動。最后提出了大尺寸復合材料蒙皮與骨架裝配時需保證最大間隙不超過0.3 mm的改進措施。

0 引言

C/SiC 復合材料即碳纖維增強陶瓷基體復合材料，具有優異的抗燒蝕性能、高比強度、高比模量、耐熱沖擊等特點，是一種性能可設計的新型高性能復合材料［1］。在空氣中使用時，當環境溫度達到1 500 ℃時仍然可以保持良好的力學性能，廣泛應用于火箭噴管、航天飛機等高溫耐磨的航空航天技術領域中［2］。隨著航天型號中大尺寸舵翼結構研制需求增加，C/SiC 復合材料蒙皮和骨架的應用也越來越多，蒙皮與骨架的可靠連接也至關重要［3］。本文針對某型大尺寸舵面結構采用整體C/SiC 材料制備而成的骨架和蒙皮結構在經歷4 次熱加載試驗后進行165 dB 熱噪聲試驗調試過程中出現的蒙皮松動問題進行機理分析，并提出改進措施。

1 問題描述

某型號舵面形狀類似于飛機V 形尾翼，外形尺寸為1 500 mm×900 mm×130 mm，舵面尺寸較大，采用了蒙皮+骨架結構形式，局部連接結構如圖1所示。蒙皮厚度為4 mm，通過61 個沉頭螺釘與骨架連接，蒙皮和骨架均為整體改性C/SiC 材料一體成形，采用液相浸漬工藝，經過多輪復合制得，蒙皮與骨架裝配時貼合面需涂高溫膠。沉頭螺釘材料與骨架蒙皮相同，螺紋規格M8，螺釘連接時涂抹高溫膠，并施加擰緊力矩2.5 N·m。

圖1 舵面局部結構Fig.1 Local structure of rudder sruface

骨架局部結構如圖2所示，骨架與蒙皮貼合面設有多處肋板。

圖2 骨架局部結構Fig.2 Local structure of skeleton

骨架和蒙皮生產過程中的隨爐板力學性能如表1所示。

表1 C/SiC復合材料性能Tab.1 Properties of C/SiC

舵面骨架和蒙皮裝配后進行165 dB 熱噪聲試驗調試，檢查發現蒙皮與骨架貼合面大面積出現松動，有明顯“按壓松動”跡象，但61 個螺釘中僅5 個螺釘出現松動，其余仍為擰緊狀態。

2 機理分析

2.1 理論分析

蒙皮與骨架之間主要通過復合材料沉頭螺釘緊固連接，以確保使用過程中蒙皮與骨架能始終貼合，避免蒙皮松動并傳遞有效載荷［4］。蒙皮與骨架接觸面間不可避免存在“空懸”面積，“空懸”面積越大蒙皮呼吸振動效應越明顯，越易導致螺釘或蒙皮松動甚至斷裂［5］。設計上采取以下措施控制蒙皮與骨架貼合狀態：

（1）對骨架網格結構進行優化，在滿足質量和承載等約束條件下，通過增加骨架網格數量的方式減小“空懸”面積；

（2）在設計準則允許的情況下增加螺釘數量，以提高骨架蒙皮結構耐受沖擊/振動環境能力；

（3）在裝配過程中控制蒙皮和骨架裝配間隙，盡量減少間隙，防止“空懸”面積增大，提高骨架蒙皮結構耐受沖擊/振動環境的適應能力［6］。

對產品進行檢查發現蒙皮與骨架貼合存在較大面積間隙，測量結果表明蒙皮與骨架大部分間隙均超過0.3 mm，局部間隙甚至超過1 mm。圖3為蒙皮與骨架某處間隙實測情況，結果為0.4 mm。

圖3 蒙皮與骨架間隙實測值Fig.3 Clearance between skeleton and skin

在理想貼合或間隙較小情況下，通過螺釘緊固+小縫隙粘接的方式可以實現蒙皮與骨架間可靠連接；但當間隙較大時，即使采取加膠措施但若不做填布處理，在高溫和振動載荷作用下因膠層失效物質流失，螺釘將很難將蒙皮與骨架緊固和可靠連接，由于貼合面“空懸”從而造成蒙皮松動現象發生。

而61 個螺釘中僅5 個螺釘出現松動，但大面積蒙皮已經松動，松動的復合材料螺釘均處于蒙皮與骨架之間的空懸區域，根據螺釘松動產生的機制，可以判斷此5 個螺釘松動是由于蒙皮松動后引起局部區域響應放大產生的。

2.2 仿真分析

模態頻率是表征結構振動的固有特性，根據模態差異可以定性評估其對噪聲引起的振動環境適應性的趨勢，據此開展了蒙皮和骨架連接區局部結構的對比分析，建立相應模型使用有限元方法分析“空懸”面積大小對蒙皮“呼吸”振動的影響程度。

工況1為蒙皮和骨架貼合較好狀態，計算模型如圖4所示。該約束條件下一階模態頻率與振型結果如圖5所示。從模態分析結果看，在蒙皮四周與骨架連接良好的情況下，蒙皮與骨架局部結構的一階頻率為1 941.7 Hz。

圖4 工況1蒙皮和骨架貼合較好Fig.4 The first condition that the skin fits well with the skeleton

圖5 工況1一階頻率Fig.5 The frequency of the first condition

工況2 為蒙皮和骨架中間不貼合狀態，如圖6所示，取中間桁條為非粘接狀態。該約束條件下一階模態頻率與振型結果如圖7所示。從模態分析結果看，當其中一塊骨架與蒙皮連接出現異常，即存在間隙沒有緊密連接在一起時，此時空腔蒙皮的區域變大，從而局部的模態頻率迅速降低，一階模態頻率為1 481.8 Hz，比正常狀態下降約500 Hz。

圖6 工況2蒙皮與骨架貼合較差Fig.6 The second condition that the skin fits bad with the skeleton

圖7 工況2一階頻率結果Fig.7 The frequency of the second condition

對于簡諧振動，加速度與幅值的關系為：

式中，Xm為位移幅值，Am為加速度，ω為角頻率，f為頻率。

在相同的加速度下，位移幅值與結構的頻率平方成反比，即［7］：

按工況1 和工況2 的模態計算結果，將一階頻率代入公式（3），可得：

從而可知，因蒙皮與骨架局部空懸面積的變大，在相同的加速度激勵下，位移響應會增大約1.72倍。空懸面積越大，引起的位移響應也越大。

從噪聲試驗的破壞機理分析中，噪聲源的主要破壞方式就是引起薄壁結構的振動響應，從而導致蒙皮區域的結構破壞［8］。若蒙皮與骨架存在間隙，則空腔蒙皮的區域擴大，不僅局部的“呼吸”頻率會降低，也會導致該處蒙皮的振動響應異常放大，加速緊固螺釘的失效，嚴重會導致局部區域蒙皮應力集中乃至破壞。

3 試驗驗證

3.1 試驗件狀態

為了驗證蒙皮與骨架之間間隙對振動響應的影響，設計了蒙皮與骨架間隙分別為0.2、0.6、1 mm 的局部典型平板粘接試驗件，結構形式和典型特征尺寸如圖8所示粘接后的試驗件狀態見圖9。試驗件材料均為C/SiC 復合材料，蒙皮與骨架連接30 mm 內為涂膠區域，其余區域為非涂膠區，模擬蒙皮與骨架之間的連接狀態。

圖8 局部典型平板尺寸Fig.8 The size of local typical flat

圖9 平板試驗件狀態Fig.9 The flat test products

3.2 試驗條件

根據力熱強度試驗熱載荷條件和165 dB噪聲試驗實測振動響應數據進行包絡，確定平板試驗件載荷條件。

每個試驗件重復施加4次熱加載，前三次加載按圖10所示背風面載荷條件加載，最后一次按圖11所示迎風面載荷條件加載。

圖10 背風面熱載荷條件Fig.10 Thermal loading conditions on leeward side

圖11 迎風面熱載荷條件Fig.11 Thermal loading conditions on windward side

振動試驗條件根據165 dB 噪聲試驗調試過程中蒙皮響應實測進行了包絡，同時考慮振動臺設備能力，最終確定的試驗條件如表2所示。

表2 平板驗證試驗隨機振動試驗條件Tab.2 The conditions of random vibration test

3.3 試驗過程

熱加載試驗首先進行3次背風面加熱曲線加載，隨后進行一次迎風面加熱曲線加載，在每次加載后都自然冷卻至自然溫度并對結構進行目視檢查，確認膠層無異常后進行下一次加載［9］，試驗過程如圖12所示。

圖12 熱加載試驗過程Fig.12 The process of thermal loading test

振動試驗狀態如圖13所示。

圖13 振動試驗狀態Fig.13 The status of vibration test

3.4 試驗結果

在熱加載試驗前后均對3 塊平板縫隙處的膠層進行了外觀檢查，同時在熱加載試驗后也對平板進行了按壓檢查，均未發現明顯的異常。

在進行完隨機振動試驗后，對3個平板試驗件進行了檢查，三種狀態緊固螺釘均仍處于緊固狀態，但蒙皮與骨架之間狀態不一致，結果如下：

（1）0.2 mm 膠層厚度的試驗件外觀檢查膠層無異常，同時按壓平板結構無異常，如圖14所示；

圖14 間隙為0.2 mm平板試驗后狀態Fig.14 The state after test of 0.2 mm clearance falt

（2）0.6 mm 膠層厚度的試驗件外觀檢查膠層有輕微疏松異常，按壓平板可感受輕微晃動，測量蒙皮與骨架之間的間隙約為0.73 mm，如圖15所示；

圖15 間隙為0.6 mm平板試驗后狀態Fig.15 The state after test of 0.6 mm clearance flat

（3）1 mm膠層厚度的試驗件部分膠層脫落，按壓平板可以明顯感覺到兩板之間未明顯貼合，存在一定的按壓間隙量，同時在按壓時可以聽見膠層有“吱吱”響聲。測量蒙皮與骨架之間的間隙達到1.45 mm，三種狀態緊固螺釘均仍處于緊固狀態，如圖16所示。

圖16 間隙為1 mm平板試驗后狀態Fig.16 The state after test of 1 mm clearance flat

試驗結果表明：在振動試驗過程中，自由端承受大量級振動激勵，當膠層在經歷多次熱加載后其拉離性能下降，自由端可能出現了脫粘的可能，但因緊固螺釘仍有限位作用，無法出現大變形的可能，故自由端會出現間隙變大的現象［10］。

4 結論

（1）蒙皮與骨架接觸面間不可避免存在“空懸”面積，“空懸”面積越大蒙皮呼吸振動效應越明顯，越易導致蒙皮或連接螺釘松動甚至斷裂。

（2）隨著蒙皮與骨架局部空懸面積的變大，在相同的加速度激勵下，位移響應會增大約1.72 倍。空懸面積越大，引起的位移響應也越大。

（3）當蒙皮與骨架之間間隙較大時，其膠層厚度也較大，在經過多次熱加載后，膠層粘接性能會下降，蒙皮與骨架之間“空懸”現象顯現，在較大振動響應激勵下出現蒙皮松動。

（4）為了保證大尺寸C/SiC 材料蒙皮骨架裝配可靠，蒙皮與骨架裝配時需保證最大間隙不超過0.3 mm。