一种一体化成型喷管内烧蚀层残余应力的评估方法技术

本发明专利技术涉及一种一体化成型喷管内烧蚀层残余应力的评估方法，属于应力评估方法技术领域。解决了现有技术中一体化喷管内烧蚀层残余应力大且无法量化，不能有的放矢地进行设计迭代优化，造成一体化喷管设计难度大、制造风险高，内烧蚀层常常出现裂纹、分层的技术问题。本发明专利技术的评估方法先建立基础力学模型，然后通过基础力学模型将内烧蚀层的残余应力评估转化为二次超静定问题的求解。该应力评估方法解决了一体化喷管设计中结构厚度、缠绕角及铺层角设计等难题，显著降低一体化喷管设计缺陷导致的制造风险。的制造风险。的制造风险。

【技术实现步骤摘要】
一种一体化成型喷管内烧蚀层残余应力的评估方法


[0001]本专利技术属于应力评估方法
，具体涉及一种一体化成型喷管内烧蚀层残余应力的评估方法，尤其适用于固体火箭发动机的喷管的内烧蚀层的残余应力的评估。

技术介绍

[0002]现有技术中，一体化成型喷管的结构如图1所示，如中国专利一种整体成型的一体化喷管及其制造方法(公开号106979095A)所描述，包括碳/碳喉衬1、内烧蚀层2、内隔热层3、烧蚀层入口锥4、碳纤维壳体5、外隔热层6和外烧蚀层7。一体化成型喷管的制备工艺如图2所示，首先将碳/碳喉衬1预埋装配入缠绕芯模，然后以碳/碳喉衬1为缠绕起始柱面，采用耐烧蚀的碳布/酚醛预浸带进行内烧蚀层2的重叠缠绕，然后采用高硅氧布/酚醛预浸带进行内隔热层3的重叠缠绕，完成内烧蚀层2和内隔热层3的复合缠绕后进行热压釜或液压釜固化，固化完成后对内隔热层3的外型面进行车削加工至理论尺寸；然后在内隔热层3的表面采用碳纤维预浸带进行碳纤维壳体5的铺放，固化对碳纤维壳体5的外型面车削加工至理论尺寸；然后在碳纤维壳体5表面进行外隔热层6的重叠缠绕及外烧蚀层7的斜叠缠绕后，进行固化及车削加工后，得到一体化成型喷管。
[0003]现有技术中，镶嵌式喷管结构如图3所示，如中国专利一种一体化喷管高温环境界面性能表征的方法及装置(公开号114486552 A)所描述，包括喉衬8、背衬9、扩散段10、金属承力壳体11和外烧蚀层短纤维模压件12。镶嵌式喷管的制备工艺如图4所示，采用数控加工的方式将金属承力壳体11加工至理论尺寸，将外烧蚀层短纤维模压件12加工至净尺寸后，粘接至金属承力壳体11的外型面；然后分别将加工至净尺寸的扩散段10、背衬9粘接在金属承力壳体11的内型面，最后将喉衬8压配粘接至背衬9，各个装配粘接时，需考虑各个零件间的粘接配合热膨胀间隙。
[0004]相比镶嵌式喷管，一体化成型喷管性能优势明显，如：(1)各界面由本体树脂粘接，胶层均匀、粘接强度高；(2)通过铺放或缠绕工艺可以适应型面配合关系，对型面的加工精度要求不高；(3)采用碳纤维(全复合)壳体，结构可靠性高，无需预留热膨胀间隙或胶层厚度，冗余消极质量少，结构效率高；(4)烧蚀结构(内烧蚀层2和外烧蚀层7)均采用缠绕工艺成型，而非短纤维模压工艺，烧蚀率低使用余量高。但一体化成型喷管仍然存在结构设计难度大、制造风险高等问题，设计考虑不周常常造成制造过程中或温度冲击试验后内烧蚀层2出现裂纹、分层等问题；如当一体化喷管的温度降低后，内烧蚀层2、内隔热层3、碳纤维承力壳体5由于热胀系数的巨大差异，会导致内烧蚀层2产生较高水平的残余应力，内烧蚀层2层间拉应力超过强度极限是一体化喷管烧蚀层残余应力作用破坏的主要失效模式，而一体化喷管烧蚀层残余应力大且无法量化，不能有的放矢地进行设计迭代。
[0005]现有技术中，一体化成型喷管内烧蚀层残余应力的评估方法采用有限元法，但该方法需要几何清理、网格划分等繁琐复杂的前处理过程，且花费大量计算时间占用计算机资源。

技术实现思路

[0006]本专利技术为解决现有技术中一体化喷管内烧蚀层残余应力大且无法量化，不能有的放矢地进行设计迭代优化，造成一体化喷管设计难度大、制造风险高，内烧蚀层常常出现裂纹、分层的技术问题，提供了一种一体化成型喷管内烧蚀层残余应力的评估方法。
[0007]为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案如下。
[0008]本专利技术的一体化成型喷管内烧蚀层残余应力的评估方法，包括以下步骤：
[0009]步骤一、建立一体化成型喷管的内烧蚀层、内隔热层、碳纤维承力壳体的基础力学模型，其中，将内烧蚀层、内隔热层、碳纤维承力壳体两两间的胶层粘接效果释放掉，并由前端面约束及后端面约束替代胶层粘接效果，从而实现内烧蚀层、内隔热层、碳纤维承力壳体的强制变形位移等效；
[0010]经材料力学性能测试数据得知，内烧蚀层沿母线弹性模量为E1，沿母线热膨胀系数为α1，截面积为A1，沿母线长度为L1，内烧蚀层的内型面与轴线夹角β，斜缠缠绕角为θ，当内烧蚀层为重叠缠绕工艺时，θ＝0
°
；内隔热层沿母线模量为E2，沿母线热胀系数为α2，截面积为A2，沿母线长度为L2；碳纤维承力壳体沿母线模量为E3，沿母线热胀系数为α3，截面积为A3，沿母线长度为L3；存在以下关系：
[0011]α1＞α2＞α3[0012]L1＝L2＝L3ꢀꢀ
公式
①
[0013]步骤二、释放后端面约束，以内烧蚀层沿母线方向承受的集中力为F1、内隔热层沿母线方向承受的集中力为F2和碳纤维承力壳体沿母线方向承受的集中力为F3代替，由于热胀系数关系α1＞α2＞α3，故一体化成型喷管的降温过程，存在力的平衡方程：
[0014]F1＝F2+F3ꢀꢀ
公式
②
[0015]步骤三、当内烧蚀层降温过程自由收缩时，其沿母线变形为：
[0016]δ1＝α1*ΔT*L1ꢀꢀ
公式
③
[0017]当内隔热层降温过程自由收缩时，其沿母线变形为：
[0018]δ2＝α2*ΔT*L2ꢀꢀ
公式
④
[0019]当碳纤维承力壳体降温过程自由收缩时，其沿母线变形为：
[0020]δ3＝α3*ΔT*L3ꢀꢀ
公式
⑤
[0021]所述ΔT为一体化成型喷管的温度变化；
[0022]步骤四、内烧蚀层承受F1作用时的轴向变形位移为：
[0023][0024]内隔热层承受F2作用时的轴向变形位移为：
[0025][0026]碳纤维承力壳体承受F3作用时的轴向变形位移为：
[0027][0028]步骤五、根据内烧蚀层、内隔热层、碳纤维承力壳体间存在的强制变形协调条件，
建立内烧蚀层、内隔热层、碳纤维承力壳体的相容方程如下：
[0029]δ1‑
δ
11
＝δ2+δ
22
ꢀꢀ
公式
⑨
[0030]δ1‑
δ
11
＝δ3+δ
33
ꢀꢀ
公式
⑩
[0031]步骤七、联立公式
①③④⑥⑦⑨
，得出：
[0032][0033]联立公式
①③⑤⑥⑧⑩
，得出：
[0034][0035]步骤八、联立公式
②
，得出：
[0036][0037]步骤九、根据材料力学中的应力转角公式计算得出内烧蚀层的层间拉应力σ
β
：
[0038][0039]步骤十、已知内烧蚀层的材料的层间法向拉伸强度σ
s
的值，根据公式计算内烧蚀层的安全系数为[n]：
[0040][0041]若求解出[n]＜1，则内烧蚀层的层间残余应力会导致层间开裂，结构设计不合理；若求解出[n]≥1，则内烧蚀层的层间残余应力不会导致层间开裂，结构设计合理。
[0042]与现有技术相比，本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一体化成型喷管内烧蚀层残余应力的评估方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、建立一体化成型喷管的内烧蚀层(2)、内隔热层(3)、碳纤维承力壳体(5)的基础力学模型，其中，将内烧蚀层(2)、内隔热层(3)、碳纤维承力壳体(5)两两间的胶层粘接效果释放掉，并由前端面约束(13)及后端面约束(14)替代胶层粘接效果，从而实现内烧蚀层(2)、内隔热层(3)、碳纤维承力壳体(5)的强制变形位移等效；经材料力学性能测试数据得知，内烧蚀层(2)沿母线弹性模量为E1，沿母线热膨胀系数为α1，截面积为A1，沿母线长度为L1，内烧蚀层(2)的内型面与轴线夹角β，斜缠缠绕角为θ，当内烧蚀层(2)为重叠缠绕工艺时，θ＝0
°
；内隔热层(3)沿母线模量为E2，沿母线热胀系数为α2，截面积为A2，沿母线长度为L2；碳纤维承力壳体(5)沿母线模量为E3，沿母线热胀系数为α3，截面积为A3，沿母线长度为L3；存在以下关系：α1＞α2＞α3L1＝L2＝L3ꢀꢀ
公式
①
步骤二、释放后端面约束(14)，以内烧蚀层(2)沿母线方向承受的集中力为F1、内隔热层(3)沿母线方向承受的集中力为F2和碳纤维承力壳体(5)沿母线方向承受的集中力为F3代替，由于热胀系数关系α1＞α2＞α3，故一体化成型喷管的降温过程，存在力的平衡方程：F1＝F2+F3ꢀꢀ
公式
②
步骤三、当内烧蚀层(2)降温过程自由收缩时，其沿母线变形为：δ1＝α1*ΔT*L1ꢀꢀ
公式
③
当内隔热层(3)降温过程自由收缩时，其沿母线变形为：δ2＝α2*Δ...

【专利技术属性】
技术研发人员：王利彬，商伟辉，林再文，尤洋，张东洋，丁方胜，
申请(专利权)人：长春长光宇航复合材料有限公司，
类型：发明
国别省市：