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河北華利機械配件有限公司

環氧泡沫塑料易碎保護蓋結構設計及實驗驗證

2014/12/1 9:56:06
        易碎保護蓋是發射筒的組成部件之一,導彈發射時,易碎保護蓋脹破,蓋體邊緣彈翼劃過區域的殘余物不應損傷導彈構件,碎塊應質量小,分離性好。易碎保護蓋主要由非金屬材料組合而成,周邊通過金屬法蘭與發射筒連接。易碎保護蓋通常選用硬脆性材料,結構上進行局部弱化設計提供應力集中,有利于蓋體邊緣沿彈翼劃過區域斷裂(謂之齊根斷)和碎塊較小。早期易碎保護蓋采用聚氨酯泡沫塑料結構,后期演變為橡膠板/纖維增強樹脂層壓板復合結構,通過預埋裂紋源,保證齊根斷和碎塊較??;易碎保護蓋也采用過整體環氧泡沫塑料結構,蓋體內表面布設若干徑緯向和邊緣的弱化槽,有利于均勻破碎和齊根斷。與復合材料結構蓋體相比,整體環氧泡沫塑料保護蓋結構可設計性好、成型工藝簡便、產品質量一致性較好。
        環氧泡沫塑料多為閉孔致密結構,具有質輕、結構均勻、強度高等特點,可以用于成型大型結構件,1964年美國殼牌公司首先研制成功,俄羅斯曾于20世紀60年代末將其用于飛機結構件(夾層板結構)。北京航空材料研究院系統地研究了環氧泡沫塑料的配方、工藝、性能及其大尺寸發泡制件的制備技術,建立了較為完備的材料標準和工藝文件。
        本工作以北京航空材料研究院(簡稱航材院)研制的環氧泡沫塑料為易碎保護蓋基本材料,采用有限元模擬、無損應變測試等方法,分別分析了蓋體結構在沖蓋爆破載荷,安全載荷下的應力、應變分布,確定了帶有徑緯槽、邊緣槽等弱化槽的蓋體結構,進行了靜壓和燃氣動壓沖蓋實驗驗證。
1    實驗
1.1    原材料
        雙酚a環氧樹脂(無錫樹脂廠);芳香多元胺(上海試劑三廠);酰肼發泡劑(市售);OP表面活性劑(市售);XM密封劑(航材院)。
1.2    實驗儀器和設備
        SZF-20反應釜,烘箱,磅秤,電子天平,三輥煉膠機,注膠槍,電鉆及鉆頭。
1.3    模具及工裝
        大型球冠形鋁質模具;金屬法蘭及壓環。
1.4    蓋體制備及裝配
        將環氧樹脂、固化劑、發泡劑以及其他助劑加入到反應釜中,在一定程序溫度下進行預聚反應,注入到成型模具中進行固化發泡,制備環氧泡沫塑料蓋體。將蓋體和金屬法蘭配合打孔,用螺釘和螺柱連接并鎖緊固定,蓋體和金屬法蘭內外表面涂敷密封劑,室溫硫化或在70℃下處理8h。
1.5    有限元分析和無損應變測試
        根據材料基本性能、工況條件及設計的幾何信息,建立蓋體結構模型,對蓋體結構在沖蓋爆破應力0.146MPa下的應力分布進行分析;在蓋體結構外表面的近溝槽區域、非溝槽區域選擇測試點,分別粘貼應變片,每個點包括90,45°和0°三個方向,設定安全加載應力為0.03MPa,測定各點的應變水平。
1.6    易碎前沖蓋實驗
        進行易碎保護蓋的靜壓沖蓋實驗和燃氣動壓沖蓋實驗,驗證其齊根斷和碎塊均勻性。
2    結果與討論
2.1    有限元應力分析
        按等厚度(35MM)建立蓋體結構模型,并進行弱化槽設計。經緯槽深度X選擇4,12,14,16,18MM,邊緣槽深度Y選擇14,18,20,25,30MM,施加載荷條件進行FEM應力分析,經緯槽、邊緣槽深度與槽所受平均應力。
        分析可知:①在極限應力為0.146MPa,無弱化槽和弱化槽深度較小時,在爆炸壓力作用下,保護蓋根部應力明顯大于其他部位,此時無法滿足均勻破碎的設計技術要求。②隨著經緯槽X值的增加,易碎蓋開槽部位所受應力水平提高,有利于滿足均勻破碎的設計要求;當X值從4MM增加到14MM時,經緯槽所受應力變化較為平緩,且小于材料的強度極限,X值從14MM增加到16MM時,經緯槽所受應力變化較大,當X值大于16MM時,經緯槽所受應力大于材料的強度極限。③隨著邊緣槽深度Y值的增加,易碎蓋在爆破應力作用下,該部位所受應力增加,有利于實現齊根斷的設計要求。④在其他條件不變的情況下,通過在保護蓋周邊部位設置一圈深度為5MM的弱化槽后,保護蓋的應力分布更加趨于合理。
2.2    無損應變測試與分析
        采用無損檢測方法對蓋體結構在安全載荷(0.03MPa)作用下的應變分布狀態進行分析。
        分析結果顯示,主應變ε1由蓋體中心向邊緣呈遞增趨勢,靠近經緯槽交叉點處的ε1比遠離交叉點的大,這與有限元分析的結果一致。主應變ε2沿徑向呈先增后減的趨勢,在邊緣出現負值,但經計算,此處的應力仍為拉應力。這表明邊緣溝槽處外表面為拉應力,如果此處存在缺口、缺陷,造成應力集中,應該首先從此處破壞。
2.3    蓋體結構邊緣彈翼劃過區域(法蘭邊緣)的破壞形式分析
        隨機抽取蓋體樣件,加工拉伸試樣和沖擊試樣,并測試其相應性能。表1為蓋體環氧泡沫塑料的拉伸性能和沖擊性能。
        蓋體環氧泡沫塑料具有近似脆性材料的性能特點,是一種介于韌脆過渡區的材料。對于高聚物材料,脆性和韌性表現還極大地依賴于測試速率(應變速率),在恒定溫度條件下,斷裂表現可由低應變速率下接近韌性斷裂形式轉變為高應變速率下的脆性斷裂形式。在沖蓋實驗中,靜壓破碎實驗可以認為是一種低應變速率實驗,隨著升壓速率的降低,蓋體破壞方式傾向于部分韌性斷裂;燃氣動壓沖破實驗是一種高應變速率實驗,蓋體破壞方式更接近于脆性斷裂。
2.4    蓋體結構設計和沖蓋實驗驗證
        根據上述分析結果,設計了兩種結構形式的蓋體,方案一:等厚度結構,經緯槽8MM×18MM,邊緣槽8MM×18MM,周邊弱化槽8MM×5MM;方案二:局部變厚度結構,經緯槽8MM×(8~18)MM,中部采用多邊形凹槽,邊緣槽(4~10)MM×(18~21)MM;制備了兩種結構的實物樣件。進行了靜壓和燃氣動壓沖蓋實驗。
        兩種結構的蓋體靜壓爆破應力均為0.14~0.17MPa,滿足性能要求;靜壓、燃氣動壓沖蓋實驗后,蓋體邊緣彈翼滑過處沒有殘余物,齊根斷情況良好;燃氣動壓沖蓋實驗后,蓋體碎塊較小,質量分布如表2所示。經過沖蓋實驗驗證,結果表明蓋體結構設計合理,性能滿足要求。
3    結論
        (1)有限元模擬應力分析和無損應變測試分析結果表明,在給定沖蓋爆破壓力下,蓋體結構邊緣外表面為拉應力,內表面為壓應力,內表面沿徑緯向和邊緣特定分布的弱化槽結構利于蓋體結構在臨界壓力下實現均勻破碎和齊根斷。
        (2)基于材料特性對蓋體邊緣彈翼滑過區域的破壞方式的研究,為邊緣弱化槽的詳細設計提供了依據。
        (3)通過靜壓沖蓋、燃氣動壓沖蓋實驗驗證,蓋體弱化槽結構設計合理,設計分析方法準確,所建立的方法和研究結果為易碎保護蓋的設計應用提供了依據。
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