鋼架結(jié)構(gòu)及涂層承載能力分析

王書浩

北京航天發(fā)射技術(shù)研究所 北京 100076

0 引言

用于新一代運(yùn)載火箭發(fā)射的大型活動平臺，在火箭起飛時燃?xì)饬鲗顒影l(fā)射平臺產(chǎn)生燒蝕、沖擊作用，由于設(shè)備間、管道架體等結(jié)構(gòu)表面積大，故采用以鋼架結(jié)構(gòu)為主體和涂層防燒蝕的方案進(jìn)行設(shè)計。發(fā)射平臺鋼架結(jié)構(gòu)及涂層的承載能力和變形一致性關(guān)系到火箭發(fā)射的安全，因此開展了發(fā)射平臺鋼架結(jié)構(gòu)及涂層承載能力和變形協(xié)調(diào)性研究。

為方便研究，鋼架結(jié)構(gòu)及涂層選取典型結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 鋼架結(jié)構(gòu)及涂層模型

鋼架結(jié)構(gòu)蓋板及不同厚度的防燒蝕涂層施加均布載荷。1）測試鋼架結(jié)構(gòu)蓋板及框架加強(qiáng)筋在使用工況為0.05 MPa下的應(yīng)力與變形量；2）考核鋼架結(jié)構(gòu)蓋板及框架加強(qiáng)筋在2倍以上使用工況載荷壓力下的承載能力；3）驗證熱防護(hù)涂層與鋼架結(jié)構(gòu)蓋板間的變形協(xié)調(diào)性；4）考核不同厚度涂層對鋼架結(jié)構(gòu)的承載能力。5）根據(jù)現(xiàn)場實際加載情況，實際獲取了0.1 MPa、最大0.12 MPa壓力下的應(yīng)力值與變形量參數(shù)。

1 理論分析

1.1 有限元分析

對鋼架結(jié)構(gòu)建模并在表面施加0.05 MPa壓力，使用有限元計算[1-3]，得出應(yīng)力云圖和位移云圖分別如圖2、圖3所示。

圖2 0.05 MPa面壓下的應(yīng)力云圖

圖3 0.05 MPa面壓下的位移云圖

由有限元計算可知，在0.05 MPa面壓下，提取試驗裝置中3點的應(yīng)力為196 MPa，3點的位移為11.978 mm。

2 實驗研究

2.1 實驗方案

試驗采用2套鋼架結(jié)構(gòu)組件及中間框組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)進(jìn)行，其中鋼架結(jié)構(gòu)組件與活動平臺前置設(shè)備間鋼架結(jié)構(gòu)Ⅳ象限受燃?xì)饬髯饔昧ψ畲髤^(qū)域結(jié)構(gòu)一致。所有焊縫滿足II級焊縫要求。鋼架結(jié)構(gòu)組件中部為中間框，中間框內(nèi)部中空并使用橡膠墊及密封膠密封。試驗使用由接頭及堵頭、三通接頭、軟管、壓力表、水泵等組成的注水裝置完成水壓加載，并記錄加載過程中的應(yīng)力與變形。縮比鋼架結(jié)構(gòu)模型見圖4。

圖4 縮比模型

2.2 試驗狀態(tài)

在鋼架結(jié)構(gòu)組件蓋板上表面涂覆DICP HC50—T型涂料，此涂料底層主要成分為環(huán)氧樹脂和聚硫，表層由水泥組成。2個鋼架結(jié)構(gòu)表面涂敷厚度分別為20 mm和30 mm。通過注水裝置對中間框內(nèi)部注水，因中間框已與鋼架結(jié)構(gòu)組件間密封，壓力水將對蓋板表面產(chǎn)生均布壓力，以模擬燃?xì)饬髯饔昧Α＿x用的水泵及壓力表精度為0.01 MPa，可實現(xiàn)逐級加載。在鋼架結(jié)構(gòu)下布置傳感器進(jìn)行應(yīng)力和應(yīng)變測試，試件下傳感器布置如圖5所示，對鋼架結(jié)構(gòu)表面涂敷涂層后如圖6所示，試驗過程中，測量鋼架結(jié)構(gòu)組件的應(yīng)力及變形量，應(yīng)力測點與變形測點如圖7所示。

圖5 試件下傳感器布置

圖 6 20 mm厚側(cè)涂覆情況

圖7 應(yīng)力測點與變形測點

2.3 試驗過程

試驗前，對所有焊縫探傷，滿足II級焊縫要求；預(yù)加載0.05 MPa，保持5 min，記錄應(yīng)力、變形數(shù)值，消除殘余應(yīng)力；卸載后，加載至0.05 MPa，保持15 min，記錄應(yīng)力、變形數(shù)值；加載至0.08 MPa，保持15 min，記錄應(yīng)力、變形數(shù)值；鋼架結(jié)構(gòu)內(nèi)部發(fā)出響聲，現(xiàn)場初步判斷為被試件內(nèi)側(cè)涂層破壞；加載至0.1 MPa，保持15 min，記錄應(yīng)力、變形數(shù)值；鋼架結(jié)構(gòu)內(nèi)部有發(fā)出比較清脆聲響，現(xiàn)場判斷為被試件內(nèi)側(cè)涂層破壞；以上試驗重復(fù)做3次試驗；第2次加載至0.08 MPa時，鋼架結(jié)構(gòu)內(nèi)部有發(fā)出比較清脆聲響，現(xiàn)場判斷為被試件內(nèi)側(cè)涂層破壞；第2次加載至0.1 MPa時，鋼架結(jié)構(gòu)內(nèi)部有發(fā)出清脆聲響，現(xiàn)場判斷為被試件內(nèi)側(cè)涂層破壞，在現(xiàn)場不拆解被試件情況下無法判斷被試件情況；第3次試驗加載至0.1 MPa后，繼續(xù)加載至0.12 MPa，記錄應(yīng)力、變形數(shù)值時，鋼架結(jié)構(gòu)發(fā)出沉悶聲響，現(xiàn)場判斷為被試件內(nèi)側(cè)涂層破壞。

2.4 試驗后鋼架結(jié)構(gòu)檢查

試驗結(jié)束后，鋼架結(jié)構(gòu)內(nèi)部水通過放水孔排出，拆開鋼架結(jié)構(gòu)，對涂層表面進(jìn)行檢查。對20 mm厚涂層和30 mm厚涂層進(jìn)行觀察，20 mm厚涂層發(fā)現(xiàn)有一條長度160 mm的裂紋，裂紋明顯。如圖8所示。

圖8 20 mm厚蓋板檢查

2.5 試驗數(shù)據(jù)

如圖9～圖14所示，根據(jù)鋼架結(jié)構(gòu)實驗后結(jié)果數(shù)據(jù)統(tǒng)計，畫出3次加載過程曲線圖[4]，可知數(shù)據(jù)基本呈線性規(guī)律，數(shù)據(jù)一致性較好。

圖9 第1次加載各測點等效應(yīng)力數(shù)據(jù)曲線

圖10 第1次加載各測點位移數(shù)據(jù)曲線

圖11 第2次加載各測點等效應(yīng)力數(shù)據(jù)曲線

圖12 第2次加載各測點位移數(shù)據(jù)曲線

圖13 第3次加載各測點等效應(yīng)力數(shù)據(jù)曲線

圖14 第3次加載各測點位移數(shù)據(jù)曲線

2.6 應(yīng)力試驗數(shù)據(jù)分析

1）根據(jù)測試數(shù)據(jù)，各測點最大積累應(yīng)力217.88 MPa，不超過材料屈服極限345 MPa；2）0.05 MPa工況下，除測點S05外，預(yù)加載與第1次加載數(shù)據(jù)一致性好，第2、第3次加載數(shù)據(jù)一致性好，分析確認(rèn)為第一次加載至0.1 MPa后結(jié)構(gòu)塑性變形、內(nèi)應(yīng)力釋放，因此后2次數(shù)據(jù)一致性好；

3）S05測點位置應(yīng)力隨加載次數(shù)增大而增大，該測點位于結(jié)構(gòu)件底部正中；對比位移數(shù)據(jù)，該測點位置積累位移變化最大、位移殘余量最大[5]，該位置加強(qiáng)筋塑性變形，結(jié)構(gòu)、材料特性變化造成應(yīng)力測試數(shù)據(jù)變化；

4）S02、S06測點均位于蓋板中部，分析確認(rèn)該位置結(jié)構(gòu)剛度差，第1次加載釋放了蓋板與加強(qiáng)筋間內(nèi)應(yīng)力[6]，后2次加載一致性好。0.1 MPa工況下，各測點應(yīng)力一致性相對較好，但隨加載次數(shù)增加各測點應(yīng)力均不同程度增加，分析認(rèn)為是結(jié)構(gòu)塑性變形造成的應(yīng)力積累。

2.7 應(yīng)變試驗數(shù)據(jù)分析

1）0.05 MPa工況下，與應(yīng)力數(shù)據(jù)對應(yīng)，預(yù)加載與第1次加載數(shù)據(jù)一致性好，第2、第3次加載數(shù)據(jù)一致性好，分析確認(rèn)為第1次加載至0.1 MPa后結(jié)構(gòu)塑性變形、內(nèi)應(yīng)力釋放，因此后兩次數(shù)據(jù)一致性好；

2）0.08 MPa工況下，第1次加載數(shù)據(jù)與后2次數(shù)據(jù)存在差值，第2、第3次加載數(shù)據(jù)一致性好；

3）0.1 MPa工況下，3次加載位移數(shù)據(jù)一致性好。

3 理論計算與試驗數(shù)據(jù)對比分析

根據(jù)有限元計算0.05 MPa下鋼架結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布，提取試驗裝置中3點的應(yīng)力為196 MPa，3點的位移為11.978 mm。水壓試驗0.05 MPa下傳感器采集3點應(yīng)力為65.27 MPa，3點位移為14.097 mm。

根據(jù)上述數(shù)據(jù)對比，試驗裝置鋼架結(jié)構(gòu)涂敷熱防護(hù)涂層后，加載0.05 MPa面壓時，測試應(yīng)力比計算應(yīng)力要小，表明熱防護(hù)涂層能夠?qū)︿摷芙Y(jié)構(gòu)起著防護(hù)的作用，減小鋼架結(jié)構(gòu)的表面應(yīng)力，提高鋼架結(jié)構(gòu)承載能力。

根據(jù)加載試驗后涂層裂紋結(jié)果檢查，20 mm厚涂層裂紋數(shù)量為9條，30 mm厚涂層裂紋數(shù)量為4條，20 mm厚涂層裂紋長度明顯大于30 mm厚涂層裂紋長度，表明鋼架結(jié)構(gòu)涂敷30 mm厚涂層優(yōu)于20 mm厚涂層。

水壓加載試驗過程中，可聽到試驗設(shè)備內(nèi)部有響聲，與試驗后拆開蓋板的涂層裂紋大致吻合，試驗現(xiàn)象較明顯。

4 結(jié)論

對鋼架結(jié)構(gòu)蓋板進(jìn)行水壓加載試驗，水壓最大加載0.12 MPa。根據(jù)傳感器采集的數(shù)據(jù)應(yīng)力在合理范圍內(nèi)，即試驗數(shù)據(jù)與有限元計算數(shù)據(jù)較吻合。試驗后，將鋼架結(jié)構(gòu)蓋板拆開檢查，30 mm厚涂層與20 mm厚涂層均有細(xì)微裂紋，30 mm厚涂層裂紋數(shù)量和長度均小于20 mm厚涂層裂紋數(shù)量和長度，但涂層與鋼架結(jié)構(gòu)變形協(xié)調(diào)性較好，涂層與鋼架結(jié)構(gòu)結(jié)合力較好，無大面積脫落現(xiàn)象，表明涂層能夠?qū)︿摷芙Y(jié)構(gòu)起到加強(qiáng)作用。