鎂合金尾艙水壓試驗分析

馬震宇

(鄭州航空工業(yè)管理學院航空工程系，鄭州450015)

【機械制造與檢測技術(shù)】

鎂合金尾艙水壓試驗分析

馬震宇

(鄭州航空工業(yè)管理學院航空工程系，鄭州450015)

應(yīng)用魚水雷薄壁殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，設(shè)計制造ZM5－T6鎂合金曲線型尾艙殼體試件，進行試件耐水壓性能試驗;在外部水壓載荷加大至1.60 MPa過程中，試件兩端口連接和密封性能穩(wěn)定，各測點殼體等效應(yīng)力隨外壓均按線性關(guān)系變化，最大應(yīng)力值和變形量均在設(shè)計要求范圍;ZM5鎂合金用作耐水壓尾艙殼體輕量化結(jié)構(gòu)材料，從設(shè)計上和工藝上能夠保證其鑄造成型質(zhì)量和承壓性能。

承壓尾艙;鑄鎂合金;薄壁殼體;外水壓試驗;應(yīng)力和變形

當前輕質(zhì)鎂合金材料已應(yīng)用于國內(nèi)外不同工程領(lǐng)域，并呈應(yīng)用范圍逐漸擴大的趨勢［1－4］。推進鎂合金在輕量化軍工裝備上的不斷應(yīng)用，進一步增強鎂合金材料及結(jié)構(gòu)的力學性能和耐腐蝕性，是高性能鎂合金技術(shù)研究與應(yīng)用拓展的重要方向［5－6］。

國內(nèi)鑄造鎂合金ZM5是廣泛使用的鎂鋁鋅系鎂合金，已批量用于戰(zhàn)斗機座艙天窗框架、彈體和箭體艙體殼體、飛機和車輛輪轂等軍用和民用產(chǎn)品［1，3］。在國內(nèi)外造船和海洋工程方面，鎂鋁鋅系鑄鎂合金也有所應(yīng)用［7－8］。采用ZM5－ T6材料設(shè)計制造一種耐水壓曲線型薄壁尾艙試件，施加不同外部水壓載荷，測試其結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形性能及連接密封性，以開展鎂合金在無人航行器耐壓艙體結(jié)構(gòu)輕量化的應(yīng)用研究。

1 耐水壓鎂合金尾艙設(shè)計結(jié)構(gòu)

鎂合金ZM5材料的鑄造和機加性能良好，易于鑄成尺寸較大和形狀較復雜的鑄件，尺寸穩(wěn)定性好，具有一定耐蝕性，表面處理后其抗鹽霧腐蝕能力顯著增強［9］，適于制造承受中等載荷、長時間工作溫度不超過150℃的結(jié)構(gòu)件［1，10］。

基于水下短時航行器耐水壓艙體主要使用要求及鑄鎂合金特點，選擇ZM5－T6作為一種耐水壓曲線外形尾艙的結(jié)構(gòu)設(shè)計制造材料，應(yīng)用魚水雷艙段薄壁殼體結(jié)構(gòu)工程設(shè)計方法［11］，設(shè)計承受外壓載荷的ZM5－T6鎂合金尾艙全尺寸試件。

沿尾艙殼體內(nèi)壁分布設(shè)置環(huán)肋和縱筋以增強結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，殼壁上設(shè)置檢測孔蓋安裝凸臺，殼體兩端口設(shè)置內(nèi)止口和內(nèi)法蘭以與試驗配套件連接密封。通過結(jié)構(gòu)有限元分析改進，設(shè)計獲得符合工作載荷要求的尾艙結(jié)構(gòu)，圖1為結(jié)構(gòu)分析網(wǎng)格劃分和邊界約束模型。設(shè)計的ZM5－T6曲線外形尾艙試件結(jié)構(gòu)參數(shù)［12］:殼板厚度6 mm，按十字形沿內(nèi)壁全長設(shè)置4條縱筋，在長300 mm圓柱段內(nèi)壁上分布2道環(huán)肋，筋和肋寬度均30 mm、高10 mm。

圖1 尾艙殼體有限元網(wǎng)格和邊界約束

2 尾艙試件與測試方法

2.1 鎂合金尾艙試件

采用砂型重力鑄造和順序結(jié)晶方法，獲得鎂合金曲線外形尾艙鑄件，熱處理狀態(tài)T6。對鑄件兩端口和外圓做適量機加，獲得ZM5－T6鎂合金尾艙殼體試件［12］。通過化學氧化，對殼體內(nèi)、外表面進行耐蝕防護處理。

試件殼體組織致密性檢查符合Ⅰ類鑄件標準，單鑄試樣化學成份和力學性能檢測值符合規(guī)定要求［13－14］。用超聲波測厚儀檢測試件不同橫截面各點處殼板壁厚，測值滿足設(shè)計公差范圍要求。

2.2 外水壓試驗方法

水壓試驗裝置和儀器包括立式敞口外水壓結(jié)構(gòu)性能試驗裝置、結(jié)構(gòu)應(yīng)變實時采集處理系統(tǒng)、防水型應(yīng)變片、內(nèi)徑千分尺。其中，試驗配套件有連接楔環(huán)、橡膠密封圈、連接封板和外法蘭、專用工裝工具。在尾艙試件內(nèi)壁分布設(shè)置十個特征測點，按要求粘貼好應(yīng)變片。在試件殼體圓柱段中間截面，按十字形方位作為殼體內(nèi)徑測量位置。

應(yīng)變片導線從試件大口端引出連接至應(yīng)變采集處理系統(tǒng)。尾艙殼體外壁與試驗裝置內(nèi)壁之間的空間注滿淡水，分級加壓和保壓。系統(tǒng)自動測量和處理殼體應(yīng)變、應(yīng)力及等效應(yīng)力。觀察記錄殼體壁面及楔環(huán)連接和水密性，測量記錄殼體內(nèi)徑值。

3 外水壓試驗結(jié)果與分析

對ZM5－T6尾艙殼體試件，施加外部水壓均布載荷逐級增加至2.0 MPa。圖2是殼體筋肋和凸臺附近殼壁結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力試驗測量結(jié)果，圖3給出了遠離筋肋和凸臺區(qū)殼壁等效應(yīng)力試驗測量值與計算結(jié)果的對比。通過分析與比較，可知:

1)在外水壓強加大至1.60 MPa過程中，殼體各測點結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力隨外壓均按線性關(guān)系增大，且σmax/σ0.2＜0.70，殼板受壓變形量最大0.37 mm。尾艙試件承載性能滿足設(shè)計要求，殼體結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計合理。

2)繼續(xù)加載，尾艙結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力隨外壓載荷按非線性關(guān)系變化，其外水壓載荷承受能力不低于1.95 MPa。

3)試驗過程尾艙與裝置楔環(huán)連接及殼體水密性可靠穩(wěn)定，表明殼體連接密封結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計合理，殼體鑄件內(nèi)部組織質(zhì)量良好。

4)有限元模擬計算結(jié)果能夠為薄壁尾艙結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化提供指導。

圖2 尾艙殼體等效應(yīng)力試驗結(jié)果

圖3 殼體等效應(yīng)力測試值與計算值對比

4 結(jié)束語

應(yīng)用魚水雷薄壁殼體結(jié)構(gòu)工程設(shè)計方法，設(shè)計并制造一種ZM5－T6耐水壓薄壁曲線外形尾艙試件。在均布外水壓加大至1.60 MPa過程中，試件各測點結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力隨外壓載荷均按線性關(guān)系增大。尾艙最大應(yīng)力和變形量滿足設(shè)計要求，殼體楔環(huán)連接和水密性可靠穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計計算合理。ZM5鎂合金用作無人航行器耐水壓輕量化艙體材料，從設(shè)計與工藝兩方面能夠保證薄壁尾艙的鑄造成型質(zhì)量和承壓性能。

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(責任編輯周江川)

Hydraulic Pressure Experiment Analysis of a M agnesium Alloy Tail Shell

MA Zhen－yu
(Department of Aviation Engineering，Zhengzhou Institute of Aeronautical Industry Management，Zhengzhou 450015，China)

Applying thin－walled structure engineering design method for torpedo and mine，the curve tail shell specimen was designed and fabricated with thematerial ZM5－T6，carrying out specimen performance experiment in different external hydraulic loads distributed uniformly.In the process of hydraulic loads increased to 1.60 MPa，the specimen connection and seal in two ports stabilizes，equivalent stresses of specimen in allmeasuring points increase in linear relation，maximum stress and deformation of the shell complying with the design requirement.Magnesium alloy ZM5 is used as lightweightmaterial of the pressure－resistant tail shell，the casting quality and loads bearing performance can be ensured from design and technology.

pressure－resistant tail shell;foundry magnesium alloy;thin－walled shell;external hydraulic pressure experiment;stress and deformation

:A

1006－0707(2014)07－0053－03

format:MA Zhen－yu.Hydraulic Pressure Experiment Analysis of a Magnesium Alloy Tail Shell［J］.Journal of Sichuan Ordnance，2014(7):53－55.

本文引用格式:馬震宇.鎂合金尾艙水壓試驗分析［J］.四川兵工學報，2014(7):53－55.

10.11809/scbgxb2014.07.016

2014－01－27

中船集團公司預研技術(shù)項目(62201050402)。

馬震宇(1964—)，男，碩士，研究員，主要從事飛航器動力與結(jié)構(gòu)技術(shù)研究。

V214.4;V216.1