環(huán)氧泡沫塑料易碎保護(hù)蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

張曉艷，王景鶴，成曉陽，范召東

（北京航空材料研究院，北京100095）

環(huán)氧泡沫塑料易碎保護(hù)蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

張曉艷，王景鶴，成曉陽，范召東

（北京航空材料研究院，北京100095）

設(shè)計(jì)了一種以環(huán)氧泡沫塑料為基本材料的新型易碎保護(hù)蓋結(jié)構(gòu)，并采用有限元模擬方法分析易碎保護(hù)蓋在給定沖蓋爆破壓力下的應(yīng)力分布。采用應(yīng)變方法測試分析了易碎保護(hù)蓋在安全載荷下的應(yīng)變分布特點(diǎn)以及蓋體結(jié)構(gòu)邊緣彈翼滑過區(qū)域的破壞方式，確定了兩種蓋體結(jié)構(gòu)，制備出實(shí)物樣件并進(jìn)行了靜壓沖蓋和燃?xì)鈩訅簺_蓋實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明：內(nèi)表面沿經(jīng)緯向和邊緣特定分布的弱化槽結(jié)構(gòu)，利于整體環(huán)氧泡沫塑料蓋體在臨界壓力下的均勻破碎和齊根斷；蓋體弱化槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，設(shè)計(jì)分析方法準(zhǔn)確，所建立的方法和研究結(jié)果為易碎保護(hù)蓋的設(shè)計(jì)應(yīng)用提供了依據(jù)。

環(huán)氧泡沫塑料；易碎保護(hù)蓋；弱化槽；沖蓋實(shí)驗(yàn)

易碎保護(hù)蓋是發(fā)射筒的組成部件之一，導(dǎo)彈發(fā)射時，易碎保護(hù)蓋脹破，蓋體邊緣彈翼劃過區(qū)域的殘余物不應(yīng)損傷導(dǎo)彈構(gòu)件，碎塊應(yīng)質(zhì)量小，分離性好。易碎保護(hù)蓋主要由非金屬材料組合而成，周邊通過金屬法蘭與發(fā)射筒連接。易碎保護(hù)蓋通常選用硬脆性材料，結(jié)構(gòu)上進(jìn)行局部弱化設(shè)計(jì)提供應(yīng)力集中，有利于蓋體邊緣沿彈翼劃過區(qū)域斷裂（謂之齊根斷）和碎塊較小。早期易碎保護(hù)蓋采用聚氨酯泡沫塑料結(jié)構(gòu)，后期演變?yōu)橄鹉z板／纖維增強(qiáng)樹脂層壓板復(fù)合結(jié)構(gòu)，通過預(yù)埋裂紋源，保證齊根斷和碎塊較?。灰姿楸Ｗo(hù)蓋也采用過整體環(huán)氧泡沫塑料結(jié)構(gòu)，蓋體內(nèi)表面布設(shè)若干徑緯向和邊緣的弱化槽，有利于均勻破碎和齊根斷［1－4］。與復(fù)合材料結(jié)構(gòu)蓋體相比，整體環(huán)氧泡沫塑料保護(hù)蓋結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性好、成型工藝簡便、產(chǎn)品質(zhì)量一致性較好。

文獻(xiàn)［5，6］報(bào)道，環(huán)氧泡沫塑料多為閉孔致密結(jié)構(gòu)，具有質(zhì)輕、結(jié)構(gòu)均勻、強(qiáng)度高等特點(diǎn)，可以用于成型大型結(jié)構(gòu)件，1964年美國殼牌公司首先研制成功，俄羅斯曾于20世紀(jì)60年代末將其用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)件（夾層板結(jié)構(gòu)）。北京航空材料研究院系統(tǒng)地研究了環(huán)氧泡沫塑料的配方、工藝、性能及其大尺寸發(fā)泡制件的制備技術(shù)，建立了較為完備的材料標(biāo)準(zhǔn)和工藝文件［7，8］。

本工作以北京航空材料研究院（簡稱航材院）研制的環(huán)氧泡沫塑料為易碎保護(hù)蓋基本材料，采用有限元模擬、無損應(yīng)變測試等方法，分別分析了蓋體結(jié)構(gòu)在沖蓋爆破載荷，安全載荷下的應(yīng)力、應(yīng)變分布，確定了帶有徑緯槽、邊緣槽等弱化槽的蓋體結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了靜壓和燃?xì)鈩訅簺_蓋實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料

雙酚A環(huán)氧樹脂（無錫樹脂廠）；芳香多元胺（上海試劑三廠）；酰肼發(fā)泡劑（市售）；OP表面活性劑（市售）；XM密封劑（航材院）。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備

SZF－20反應(yīng)釜，烘箱，磅秤，電子天平，三輥煉膠機(jī)，注膠槍，電鉆及鉆頭。

1.3 模具及工裝

大型球冠形鋁質(zhì)模具；金屬法蘭及壓環(huán)。

1.4 蓋體制備及裝配

將環(huán)氧樹脂、固化劑、發(fā)泡劑以及其他助劑加入到反應(yīng)釜中，在一定程序溫度下進(jìn)行預(yù)聚反應(yīng)，注入到成型模具中進(jìn)行固化發(fā)泡，制備環(huán)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(nèi)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(yīng)變測試

根據(jù)材料基本性能、工況條件及設(shè)計(jì)的幾何信息，建立蓋體結(jié)構(gòu)模型，對蓋體結(jié)構(gòu)在沖蓋爆破應(yīng)力0.146MPa下的應(yīng)力分布進(jìn)行分析；在蓋體結(jié)構(gòu)外表面的近溝槽區(qū)域、非溝槽區(qū)域選擇測試點(diǎn)，分別粘貼應(yīng)變片，每個點(diǎn)包括90，45°和0°三個方向，設(shè)定安全加載應(yīng)力為0.03MPa，測定各點(diǎn)的應(yīng)變水平。

1.6 易碎前沖蓋實(shí)驗(yàn)

進(jìn)行易碎保護(hù)蓋的靜壓沖蓋實(shí)驗(yàn)和燃?xì)鈩訅簺_蓋實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證其齊根斷和碎塊均勻性。

2 結(jié)果與討論

2.1 有限元應(yīng)力分析

按等厚度（35mm）建立蓋體結(jié)構(gòu)模型，并進(jìn)行弱化槽設(shè)計(jì)，如圖1所示。

經(jīng)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(jìn)行FEM應(yīng)力分析，經(jīng)緯槽、邊緣槽深度與槽所受平均應(yīng)力的關(guān)系如圖2所示，典型槽深下的應(yīng)力分布云圖如圖3所示。

由圖2，3分析可知：①在極限應(yīng)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(hù)蓋根部應(yīng)力明顯大于其他部位，此時無法滿足均勻破碎的設(shè)計(jì)技術(shù)要求。②隨著經(jīng)緯槽X值的增加，易碎蓋開槽部位所受應(yīng)力水平提高，有利于滿足均勻破碎的設(shè)計(jì)要求；當(dāng)X值從4mm增加到14mm時，經(jīng)緯槽所受應(yīng)力變化較為平緩，且小于材料的強(qiáng)度極限，X值從14mm增加到16mm時，經(jīng)緯槽所受應(yīng)力變化較大，當(dāng)X值大于16mm時，經(jīng)緯槽所受應(yīng)力大于材料的強(qiáng)度極限。③隨著邊緣槽深度Y值的增加，易碎蓋在爆破應(yīng)力作用下，該部位所受應(yīng)力增加，有利于實(shí)現(xiàn)齊根斷的設(shè)計(jì)要求。④在其他條件不變的情況下，通過在保護(hù)蓋周邊部位設(shè)置一圈深度為5mm的弱化槽后，保護(hù)蓋的應(yīng)力分布更加趨于合理。

圖3 典型槽深下的應(yīng)力分布云圖 （a）經(jīng)緯槽深4mm；（b）經(jīng)緯槽深1mm；（c）邊緣槽深18mm；（d）增加周邊槽5mmFig.3 The typical depth of the groove corresponding stress distribution nephogram（a）latitude and longitude groove depth 4mm；（b）latitude and longitude groove depth 1mm；（c）edge slot depth 18mm；（d）increased peripheral slot 5mm

2.2 無損應(yīng)變測試與分析

采用無損檢測方法對蓋體結(jié)構(gòu)在安全載荷（0.03MPa）作用下的應(yīng)變分布狀態(tài)進(jìn)行分析。蓋體表面測試點(diǎn)分布以及各點(diǎn)應(yīng)變水平與徑向半徑關(guān)系曲線如圖4所示。

分析結(jié)果顯示，主應(yīng)變ε1由蓋體中心向邊緣呈遞增趨勢，靠近經(jīng)緯槽交叉點(diǎn)處的ε1比遠(yuǎn)離交叉點(diǎn)的大，這與有限元分析的結(jié)果一致。主應(yīng)變ε2沿徑向呈先增后減的趨勢，在邊緣出現(xiàn)負(fù)值，但經(jīng)計(jì)算，此處的應(yīng)力仍為拉應(yīng)力。這表明邊緣溝槽處外表面為拉應(yīng)力，如果此處存在缺口、缺陷，造成應(yīng)力集中，應(yīng)該首先從此處破壞。

2.3 蓋體結(jié)構(gòu)邊緣彈翼劃過區(qū)域（法蘭邊緣）的破壞形式分析

隨機(jī)抽取蓋體樣件，加工拉伸試樣和沖擊試樣，并測試其相應(yīng)性能。表1為蓋體環(huán)氧泡沫塑料的拉伸性能和沖擊性能。

拉伸試樣斷口垂直于拉伸應(yīng)力方向，呈現(xiàn)一定的脆性斷裂斷口形貌，其應(yīng)力－應(yīng)變曲線類似于硬脆材料的應(yīng)力－應(yīng)變曲線；其δ為1%左右，ak為2kJ·m－2左右。工程上通常將δ＜5%，ak＜2kJ·m－2的材料稱為脆性材料，δ＞5%，ak＞2kJ·m－2的材料稱為韌性材料［9］。蓋體環(huán)氧泡沫塑料具有近似脆性材料的性能特點(diǎn)，是一種介于韌脆過渡區(qū)的材料。對于高聚物材料，脆性和韌性表現(xiàn)還極大地依賴于測試速率（應(yīng)變速率），在恒定溫度條件下，斷裂表現(xiàn)可由低應(yīng)變速率下接近韌性斷裂形式轉(zhuǎn)變?yōu)楦邞?yīng)變速率下的脆性斷裂形式［9］。在沖蓋實(shí)驗(yàn)中，靜壓破碎實(shí)驗(yàn)可以認(rèn)為是一種低應(yīng)變速率實(shí)驗(yàn)，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?xì)鈩訅簺_破實(shí)驗(yàn)是一種高應(yīng)變速率實(shí)驗(yàn)，蓋體破壞方式更接近于脆性斷裂。

圖5為蓋體邊緣彈翼劃過區(qū)域的典型剖面結(jié)構(gòu)，A點(diǎn)為壓環(huán)內(nèi)徑下沿與蓋體邊緣外表面接觸點(diǎn)，B點(diǎn)為邊緣槽深頂點(diǎn)，C點(diǎn)為法蘭內(nèi)徑上沿與蓋體邊緣內(nèi)表面接觸點(diǎn)，D點(diǎn)為AB連線與蓋體內(nèi)表面交點(diǎn)，X，Y為邊緣槽深度。

圖4 蓋體表面測試點(diǎn)分布（a）以及各點(diǎn)應(yīng)變水平與徑向半徑關(guān)系（b）Fig.4 Test point distribution on body surface（a）and relationship between each point’s strain and radius（b）

表1 蓋體環(huán)氧泡沫塑料的拉伸性能和沖擊性能Table 1 The tensile and impact properties of body materials

圖5 蓋體邊緣彈翼劃過區(qū)域的典型剖面結(jié)構(gòu)Fig.5 The typical body structure surrounding the wing slip area

通過有限元應(yīng)力分析和無損應(yīng)變測試分析可知，在爆破應(yīng)力作用下，A點(diǎn)為拉應(yīng)力，C點(diǎn)為壓應(yīng)力。A點(diǎn)有利于產(chǎn)生應(yīng)力集中，根據(jù)脆性材料斷裂特點(diǎn)，在沒有其他缺口和缺陷的條件下，裂紋通常應(yīng)從A點(diǎn)產(chǎn)生，沿蓋體徑向方向AD擴(kuò)展至D點(diǎn)斷裂，而不是沿C點(diǎn)斷裂。制件厚度不同（30～60mm），斷裂方向角（即斷裂方向與蓋體垂直軸向的夾角）基本在40～45°之間。經(jīng)對無弱化槽或弱化槽很淺的蓋體樣件進(jìn)行宏觀斷口分析，蓋體邊緣斷裂情況與之基本相符。為滿足沿C點(diǎn)斷裂的設(shè)計(jì)要求，只有在AD方向上存在一個伸向C點(diǎn)的斷裂擴(kuò)展面才能改變原來的裂紋擴(kuò)展方向。在蓋體C點(diǎn)處垂直法蘭邊緣開一溝槽，溝槽深度Y要接近與AD面相交（經(jīng)計(jì)算Y約為18～22mm），有利于實(shí)現(xiàn)裂紋沿BC擴(kuò)展，并在C點(diǎn)斷裂。

2.4 蓋體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和沖蓋實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)上述分析結(jié)果，設(shè)計(jì)了兩種結(jié)構(gòu)形式的蓋體，方案 一：等厚度結(jié)構(gòu)（圖6（a）），經(jīng)緯槽φ8mm×18mm，邊緣槽φ8mm×18mm，周邊弱化槽φ8mm×5mm；方案二：局部變厚度結(jié)構(gòu)（圖6（b）），經(jīng)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(jié)構(gòu)的實(shí)物樣件。進(jìn)行了靜壓和燃?xì)鈩訅簺_蓋實(shí)驗(yàn)。

圖6 蓋體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖 （a）等厚度結(jié)構(gòu)；（b）局部變厚度結(jié)構(gòu)Fig.6 The design of the body structure diagram （a）uniform thickness；（b）part nonuniform thickness

兩種結(jié)構(gòu)的蓋體靜壓爆破應(yīng)力均為0.14～0.17MPa，滿足性能要求；靜壓、燃?xì)鈩訅簺_蓋實(shí)驗(yàn)后，蓋體邊緣彈翼滑過處沒有殘余物，齊根斷情況良好（圖7）；燃?xì)鈩訅簺_蓋實(shí)驗(yàn)后，蓋體碎塊較小，質(zhì)量分布如表2所示。經(jīng)過沖蓋實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明蓋體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，性能滿足要求。

圖7 沖蓋實(shí)驗(yàn)后易碎蓋破碎狀態(tài) （a）方案一，靜壓沖蓋；（b）方案二，靜壓沖蓋；（c）方案二，動壓沖蓋Fig.7 The broken state of the fragile cover body after pressure blunt cover test（a）the first scheme，static pressure blunt cover；（b）the second scheme，static pressure blunt cover；（c）the second scheme，gas dynamic pressure blunt cover

表2 燃?xì)鈩訅簺_蓋后蓋體碎塊質(zhì)量分布（g）Table 2 Mass distribution of body pieces after gas dynamic pressure blunt cover（g）

3 結(jié)論

（1）有限元模擬應(yīng)力分析和無損應(yīng)變測試分析結(jié)果表明，在給定沖蓋爆破壓力下，蓋體結(jié)構(gòu)邊緣外表面為拉應(yīng)力，內(nèi)表面為壓應(yīng)力，內(nèi)表面沿徑緯向和邊緣特定分布的弱化槽結(jié)構(gòu)利于蓋體結(jié)構(gòu)在臨界壓力下實(shí)現(xiàn)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(qū)域的破壞方式的研究，為邊緣弱化槽的詳細(xì)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

（3）通過靜壓沖蓋、燃?xì)鈩訅簺_蓋實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，蓋體弱化槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，設(shè)計(jì)分析方法準(zhǔn)確，所建立的方法和研究結(jié)果為易碎保護(hù)蓋的設(shè)計(jì)應(yīng)用提供了依據(jù)。

［1］ FORIS VICTOR G，MARINA DEL REY，TAKESHI TOKIYAMA，et al.Protective missile launch tube enclosure［P］.USA Patent：6311604，2001－11－06.

［2］ DOANE WILLIAM J，DIEGO SAN.Frangible fly through diaphragm for missile launch canister［P］.USA Patent：4498368，1985－02－12.

［3］ MUSSEY RICHARD A.Launch tube closure［P］.USA Patent：4301708，1981－11－24.

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［5］ 區(qū)英鴻.塑料手冊［M］.北京：兵器工業(yè)出版社，1991.1145－1150.

［6］ 錢志屏.泡沫塑料［M］.北京：中國石化出版社，1998.274－288.

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［8］ 張曉艷.一種中密度硬質(zhì)環(huán)氧泡沫塑料的制備及其性能研究［A］.第十三屆全國復(fù)合材料學(xué)術(shù)會議論文集［C］.北京：航空工業(yè)出版社，2004.1177－1184.

［9］ 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)高分子物理教研室.高聚物的結(jié)構(gòu)與性能［M］.北京：科學(xué)出版社，1981.265－272.

Structure Design and Verification Test for Fragile Protection Closure Made from Epoxy－foam Plastics

ZHANG Xiao－yan，WANG Jing－h(huán)e，CHENG Xiao－yang，F(xiàn)AN Zhao－dong
（Beijing Institute of Aeronautical Materials，Beijing 100095，China）

The stress distribution of the fragile protection cover made from epoxy－foam plastics was analyzed under the given blast load by the method of the finite element simulation.And the strain distribution was tested under the safe load.So the two drafts of the structure were designed based on the results of the research on the destroy forms of the wing slip area of cover structure which was carried out according to the properties of the base material.The explosion experiments besides the static pressure and gas dynamic pressure were executed to the specimens.The results showed that the weakening groove laid along the structure in vertical，horizontal and edge lines contributed to root fracture and uniform segments at the critical pressure，and that the structure design was reasonable and the analysis method was accurate，which were proved to be the basis for the application of fragile protection cover.

epoxy－foam plastics；fragile protection cover；weakening groove；blunt cover experiment

TQ323.5

A

1001－4381（2012）08－0005－05

2012－01－06；

2012－06－15

張曉艷（1972－），女，碩士，高級工程師，從事環(huán)氧樹脂改性，輕質(zhì)高強(qiáng)環(huán)氧泡沫塑料、室溫固化有機(jī)硅熱防護(hù)涂層研究，聯(lián)系地址：北京市81信箱7分箱（100095），E－mail：xiaoyan.zhang＠biam.ac.cn