非穿透间隔割缝易碎盖结构设计及分析_苑晓旭.pdf

第 55 卷第 2 期2023 年 4 月Vol.55 No.2Apr.2023南 京 航 空 航 天 大 学 学 报Journal of Nanjing University of Aeronautics&Astronautics非穿透间隔割缝易碎盖结构设计及分析苑晓旭1，南博华2，林楠3，徐澧明1，徐志明1，蔡登安1，周光明1（1.南京航空航天大学航空航天结构力学及控制全国重点实验室，南京 210016；2.上海航天设备制造总厂有限公司，上海 200245；3.上海机电工程研究所，上海 201109）摘要：发射箱盖需要满足轻质、结构紧凑等要求。为了满足性能需求，在易碎盖结构方面提出了新的设计方案，即非穿透间隔割缝复合材料易碎盖。针对承压与冲破两种工况展开了试验，分别建立了承压和冲破渐进损伤有限元模型，分析了结构参数对新结构易碎盖力学性能的影响，并探讨易碎盖冲破的损伤失效机理。结果表明，本文建立的有限元模型可有效预测承压工况下盖体的最大变形和冲破工况下盖体的冲破压力；盖体厚度的增大会导致易碎盖承压工况下最大变形减小和冲破工况下冲破压力的增大；而割缝宽度的增大，对承压工况下盖体最大变形的影响较小，但在冲破工况下易碎盖薄弱区会更早进入损伤失效阶段，对其冲破性能产生负面影响。关键词：易碎盖；复合材料；间隔割缝；结构设计；有限元分析中图分类号：TJ768.2；TB332 文献标志码：A 文章编号：1005-2615（2023）02-0311-09Structural Design and Analysis of Non-penetrating Interval Cutting Frangible CoverYUAN Xiaoxu1，NAN Bohua2，LIN Nan3，XU Liming1，XU Zhiming1，CAI Deng an1，ZHOU Guangming1（1.State Key Laboratory of Mechanics and Control for Aerospace Structures，Nanjing University of Aeronautics&Astronautics，Nanjing 210016，China；2.Shanghai Aerospace Equipments Manufacturer Co.，Ltd.，Shanghai 200245，China；3.Shanghai Electro-Mechanical Engineering Institute，Shanghai 201109，China）Abstract:The launch box cover should meet the requirements of light weight and compact structure.In order to meet the performance requirements，a new design scheme named non-penetrating interval slit composite fragile cover is proposed.Finite element models of progressive damage under pressure and break are established，respectively.The influence of structural parameters on mechanical properties of the new structure fragile cap is analyzed，and the damage failure mechanism of fragile cap break is discussed.The results show that the finite element model established in this paper can effectively predict the maximum deformation of the cover under pressure and the bursting pressure of the cover under bursting condition.The increase of the cover thickness will lead to the decrease of the maximum deformation and the increase of the breaking pressure of the frangible cover under the pressure condition.The increase of the slit width has little effect on the maximum deformation of the cover under pressure.However，the weak area of brittle cap will enter the damage failure stage earlier under the condition of breaking，which will have a negative impact on its breaking performance.Key words:frangible cover；composite materials；interval cutting；structural design；finite element analysisDOI：10.16356/j.1005-2615.2023.02.017基金项目：国家自然科学基金（52005256）；江苏省基础研究计划（自然科学基金）（BK20190394）；江苏省博士后科研（2020Z437）；上海航天科技创新基金（SAST2019-063，SAST2020-001）；江苏高校优势学科建设工程（PAPD）。收稿日期：2021-10-16；修订日期：2022-01-05通信作者：周光明，男，教授，博士生导师，E-mail：。引用格式：苑晓旭，南博华，林楠，等.非穿透间隔割缝易碎盖结构设计及分析 J.南京航空航天大学学报，2023，55（2）：311-319.YUAN Xiaoxu，NAN Bohua，LIN Nan，et al.Structural design and analysis of non-penetrating interval cutting frangible cover J.Journal of Nanjing University of Aeronautics&Astronautics，2023，55（2）：311-319.第 55 卷南 京 航 空 航 天 大 学 学 报导弹发射箱盖在导弹的存储和发射过程中具有不可或缺的作用。发射箱盖需要同时满足刚度和强度要求：在导弹存储时其气密性和承压变形需满足特定的技术指标要求；在导弹发射时，需能在特定的气压或顶破力的作用下快速开裂，为导弹让出前进通道。以往的导弹发射箱盖结构主要是机械盖或爆破盖，绝大部分材料属于金属材料。由于机械盖质量较大，使整个发射系统的重量增大；且机械盖为液压或电动机械开盖，操作时间长，不满足快速作战要求。而爆破盖使用维护成本高，长期存储容易产生失效，且爆炸时会造成导弹头部损伤。复合材料具有比强度与比模量高的优点，可以在满足相同强度要求下极大地减轻导弹箱盖结构的质量；且其对环境的适应性好，可设计性强1-2，在具有腐蚀性或其他极端环境中，与金属材料相比不需要额外考虑防腐蚀作用。因此，现今发射箱盖的研制多是基于复合材料展开的。国外一些学者很早就把复合材料应用到易碎盖结构中，这种易碎盖具有复合材料特有的各种优点，同时能够满足导弹存储与运输过程中的密封性要求。Omkar 等3将克隆算法应用到对复合材料层合板的优化中，针对不同载荷和不同参数变量，在满足强度要求的前提下极大程度上减少了结构的重量。Doane4设计了一种顶破式复合材料易碎盖，仅需要施加很小的顶破力就可以使箱盖开盖。但相对而言，由于接触顶破力的存在，导弹头部会受到一定程度的损伤。顶破开盖方式的箱盖，虽然同样具有复合材料易碎盖应有的各种优点，但并不能很好地保证导弹完整无损，甚至有可能达不到需要的效果。Kam 和 Wu 等5-6设计了一种可冲破开盖的复合材料易碎盖，导弹准备发射时，导弹引擎首先启动，在箱内产生气流使箱盖内外存在气压差。气压差冲破盖体，使盖体与导弹头接触前发生破坏，盖体按预留薄弱区破坏为 4 部分，可保证导弹快速发射。但这种易碎盖薄弱区采用纯树脂连接，为保证薄弱区强度导致易碎盖厚度增加，成型工艺复杂，质量减轻效果不明显。国内针对将复合材料应用到易碎盖结构方面，也有较多成果。2006年，周光明等7研制了一种穿透式的薄膜盖，成功提高了导弹发射时的效率。2007年，周光明等8设计出以整体形式冲破的复合材料易碎盖，气流冲击盖体时盖体以整体形式抛出。孙志彬等9通过对薄弱区进行搭接的方式，设计出薄弱区不完全切断的圆形复合材料易碎盖，使盖体可以定向抛出。陈海立10提出盖体承压时周向弯矩为最危险载荷，研究了载荷作用下不同薄弱区接头处承受弯矩时的破坏机理。余洪浩11针对方形发射箱设计出方形多瓣盖体结构，有效地减少了抛出盖体携带的能量，防止开盖过程中造成不必要的损伤。李文龙12对多瓣冲破式复合材料易碎盖采取方案进行了进一步的优化设计，并对所设计盖体进行正向和反向承压实验，验证其方案的可行性。徐文彬13采用可失效的弹塑性本构分析裂纹附近材料的强度与最大撞击力之间的关系。近年来，Zhou 和 Cai等14-15设计出可以定向分离子盖的新型易碎盖，提出了基于黎曼算法的瞬态动力学破坏模型。为了满足导弹箱盖轻质、结构紧凑等新的要求，针对导弹在存储、运输过程以及发射中不同受力情况，本文设计了具有新型薄弱区结构的非穿透间隔割缝易碎盖；从设计、选材、制备方法等不同方面进行阐述，并对其进行了承压工况试验和冲破工况实验；针对两种不同工况，分别使用 ABAQUS有限元分析软件建立了承压工况模型和冲破工况模型，其中承压工况模型为静态模型，冲破工况模型为渐进损伤模型。1 易碎盖结构和材料导弹存储过程中，易碎盖受到贮存压力作用；导弹发射时，易碎盖内外气压差迅速变化，达到一定压力时需要顺利冲破。设计和制作的易碎盖，需要同时满足这两种载荷要求。本文设计了一种冲破式开盖的复合材料易碎盖，提出了非穿透间隔割缝新薄弱区结构，如图 1所示。盖体主体为平面整体结构，整体分为薄弱区、抛出体和法兰 3 部分。薄弱区隔缝有全切割层隔缝和间隔切割层隔缝两种结构形式，即薄弱区中既有层合板部分又有填充树脂部分。相较 Kam 和 Wu等5-6提出的盖体结构而言，在保证薄弱区强度的同时，有效地减少了易碎盖结构厚度，可以明显减轻盖体重量。导弹在存储时和运输过程中，易碎盖法兰固定在发射箱上；导弹发射过程中，导弹引擎产生气流使箱内气压迅速升高，使薄弱区迅速损坏，抛出体图 1 易碎盖整体结构及薄弱区切割形式Fig.1 Frangible cover overall structure and weak area cutting forms312第 2 期苑晓旭，等：非穿透间隔割缝易碎盖结构设计及分析与法兰分离并被气流冲出，保证导弹顺利出筒。易碎盖整体由层合复合材料构成，其中增强体为 0/90双向高强玻璃纤维布，基体为环氧树脂，铺层顺序为 （0，90）/（45）ns，即准各向同性铺层，单层厚度约为 0.40 mm。本文所设计的易碎盖薄弱区结构方案由两种具体形式构成：全切割和间隔切割。其中，全切割即在薄弱区对应位置对铺层布按圆形轨迹完全割断，如图 1（a）所示；而间隔切割是对薄弱区位置的铺层布按圆形轨迹进行间隔割断，如图 1（b）所示。在制作易碎盖薄弱区过程中，对其中一部分