復(fù)合材料桁架式機(jī)架設(shè)計(jì)方案

穆朋剛，劉文超，杜大華，李斌潮

(1.液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710100；2.西安航天動(dòng)力研究所，陜西 西安 710100)

0 引言

桁架式結(jié)構(gòu)是一種承載效率較高且開(kāi)敞性好的結(jié)構(gòu)形式，一般由桿件和接頭組成。桿件主要承受軸向載荷；接頭則用于載荷傳遞和分配，可根據(jù)具體的載荷形式設(shè)計(jì)相應(yīng)的構(gòu)型，因而在航天領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。然而，由于接頭結(jié)構(gòu)的構(gòu)型、承載形式及加工工藝復(fù)雜，航天結(jié)構(gòu)上不得不用強(qiáng)度比和剛度比低的金屬材料，但對(duì)于航天結(jié)構(gòu)，特別是運(yùn)載火箭上面級(jí)及空間平臺(tái)的承力結(jié)構(gòu)，每減輕1 kg的質(zhì)量，對(duì)有效載荷的增加及發(fā)射成本的降低都是有益的。隨著復(fù)合材料設(shè)計(jì)及制備工藝技術(shù)的不斷進(jìn)步，復(fù)合材料桁架結(jié)構(gòu)在航天領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，如衛(wèi)星平臺(tái)的承力及支撐結(jié)構(gòu)、發(fā)動(dòng)機(jī)推力支架、空間相機(jī)及空間可展開(kāi)天線結(jié)構(gòu)等[1-10]，如圖1所示復(fù)合材料桁架和接頭的應(yīng)用實(shí)例[1-3]。X-33發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)架為碳/環(huán)氧和硼-碳纖維/環(huán)氧混雜復(fù)合材料桁架結(jié)構(gòu)，連接液氧和液氫貯箱的桁架也為碳纖維復(fù)合材料[4-5]。哈爾濱工業(yè)大學(xué)以臨近空間飛艇的全復(fù)合材料桁架式結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，在桁架結(jié)構(gòu)特別是接頭設(shè)計(jì)、制備工藝方法研究、性能仿真分析及試驗(yàn)測(cè)試等方面進(jìn)行了系統(tǒng)的研究并取得了大量的成果[2-3]?？臻g技術(shù)研究院研制的DFH-3及DFH-4平臺(tái)變軌發(fā)動(dòng)機(jī)采用了復(fù)合材料-金屬桁架式復(fù)合支架，其中支架的主承力部分采用碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料，包含6個(gè)接頭、6根連桿及1個(gè)鋁合金的法蘭盤，支架結(jié)構(gòu)如圖2所示[6-7]。國(guó)防科技大學(xué)在機(jī)架設(shè)計(jì)、材料制備工藝及力學(xué)性能試驗(yàn)進(jìn)行了深入研究，對(duì)復(fù)合材料桁架式結(jié)構(gòu)在發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)架上的應(yīng)用做了大量的預(yù)先研究工作[8-9]。文獻(xiàn)[10]以某發(fā)動(dòng)機(jī)金屬材料的助推機(jī)架為研究對(duì)象，通過(guò)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料替代原金屬材料的初步設(shè)計(jì)及力學(xué)性能分析工作，為復(fù)合材料在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)架應(yīng)用的可行性進(jìn)行了初步探索。

圖1 復(fù)合材料桁架接頭構(gòu)型Fig.1 Configuration of composite truss joints

圖2 DFH衛(wèi)星平臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)合材料支架Fig.2 Composite truss structure of DFH satellite platform

本文以某上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)的金屬材料機(jī)架為研究對(duì)象，以碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料為結(jié)構(gòu)材料，借鑒當(dāng)前較為成熟的設(shè)計(jì)方法和工程研制經(jīng)驗(yàn)，開(kāi)展了復(fù)合材料機(jī)架設(shè)計(jì)方案及力學(xué)性能評(píng)估等方面的研究，旨在為減輕發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)質(zhì)量、提高其性能提供技術(shù)支持。

1 原金屬機(jī)架力學(xué)特性分析

機(jī)架為發(fā)動(dòng)機(jī)與火箭箭體之間傳遞推力的過(guò)渡結(jié)構(gòu)，同時(shí)兼有發(fā)動(dòng)機(jī)布局、支撐和運(yùn)輸?shù)绕渌o助作用，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)一般考慮結(jié)構(gòu)布局，強(qiáng)度剛度及穩(wěn)定性、選材及工藝等方面的要求[11]。綜合上述設(shè)計(jì)約束條件，某上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)架采用桁架式布局，由4個(gè)對(duì)接接頭、18根1 mm厚圓截面空心支桿、4個(gè)支座及2個(gè)軸套焊接而成，如圖3所示機(jī)架通過(guò)4個(gè)均布接頭與總體艙體對(duì)接，發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)軸套與機(jī)架連接，機(jī)架主要承受載荷為10 kN的推力載荷，可在垂直于機(jī)架軸線方向的平面內(nèi)(即xy平面)以±10°角度擺動(dòng)。機(jī)架基本力學(xué)性能要求：在發(fā)動(dòng)機(jī)10 kN推力載荷作用下機(jī)架沿其軸線(z軸)方向變形不大于2 mm，且在2倍推力載荷下不發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞。機(jī)架材料為高強(qiáng)度鋼，基本性能如下：彈性模量E=196 GPa，泊松比υ=0.3，屈服強(qiáng)度σs=835 MPa，極限強(qiáng)度σb=885 MPa，機(jī)架結(jié)構(gòu)質(zhì)量為6 kg。

機(jī)架的力學(xué)分析在有限元軟件Abaqus環(huán)境下完成。根據(jù)機(jī)架的幾何模型進(jìn)行簡(jiǎn)化：18根桿件結(jié)構(gòu)采用殼單元S4R模擬，10個(gè)接頭采用四面體單元C3D10M模擬，兩者之間采用多點(diǎn)約束MPC連接；發(fā)動(dòng)機(jī)推力以集中力形式施加在2個(gè)軸套連線的中心。3種載荷工況的計(jì)算結(jié)果如表1所示，可以看出：對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)推力沿x軸偏轉(zhuǎn)±10°時(shí)，機(jī)架的承載最嚴(yán)重，最大Mises應(yīng)力為180.5 MPa，最大變形量為0.19 mm，機(jī)架的強(qiáng)度安全系數(shù)為4.63。

圖3 某上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)架原設(shè)計(jì)圖Fig.3 Original thrust truss of an upper-stage rocket engine

載荷工況軸向最大變形量/mm最大Mises應(yīng)力/MPa強(qiáng)度安全系數(shù)最大應(yīng)力部位無(wú)偏轉(zhuǎn)0.13111.57.499,10桿上端根部沿x軸偏轉(zhuǎn)±10°0.19180.54.632個(gè)三通接頭沿y軸偏轉(zhuǎn)±10°0.14119.86.971～4桿上端根部

2 復(fù)合材料機(jī)架設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)原則及選材

復(fù)合材料桁架式機(jī)架的設(shè)計(jì)、分析及制備的核心部件在接頭結(jié)構(gòu)，對(duì)本文研究的機(jī)架，就存在4種接頭形式，而復(fù)合材料具有金屬材料所沒(méi)有的力學(xué)性能各向異性特點(diǎn)，使接頭結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)、制備過(guò)程及力學(xué)性能評(píng)估等方面均有一定的技術(shù)難度，因此，為簡(jiǎn)化分析，對(duì)復(fù)合材料機(jī)架設(shè)計(jì)提出以下假設(shè)[12]：①?gòu)?fù)合材料機(jī)架外形尺寸與原機(jī)架一致，主要采用等代設(shè)計(jì)方法對(duì)桿件及接頭結(jié)構(gòu)重新設(shè)計(jì)，然后組裝為整體機(jī)架，而不再進(jìn)行桁架結(jié)構(gòu)拓?fù)湓O(shè)計(jì)。②復(fù)合材料機(jī)架結(jié)構(gòu)質(zhì)量較原結(jié)構(gòu)減輕20%以上，設(shè)計(jì)時(shí)需考慮結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性等基本要求，復(fù)合材料機(jī)架的綜合性能不低于原金屬機(jī)架。③盡量將復(fù)合材料機(jī)架設(shè)計(jì)成整體件，并采用共固化技術(shù)，以利于減重和提高產(chǎn)品質(zhì)量。④選材時(shí)盡量考慮經(jīng)濟(jì)性和成熟的制備工藝方法等因素。

2.2 層壓結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

對(duì)單層板復(fù)合材料主方向的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為：

(1)

(2)

由式(1)和式(2)可推導(dǎo)出層壓板的等效剛度：

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：Q為主軸折減剛度矩陣，Q11=E1/(1-v12v21)，Q12=Q21=v12E2/(1-v12v21)1=v21E1/(1-v12v21)，Q22=E2/(1-v12v21)，Q66=G12，v12E2=v21E1；T為坐標(biāo)變換矩陣；tk為各單層厚度；n為層壓板鋪層數(shù)。詳細(xì)分析過(guò)程可參考文獻(xiàn)[13]相關(guān)章節(jié)。

2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

綜合考慮成本及工藝性因素，選用碳纖維T700-12K高強(qiáng)度碳纖維束作為結(jié)構(gòu)材料，基體選用高韌性環(huán)氧樹脂，合成后材料的基本力學(xué)性能參數(shù)如下[2]：E1=134 GPa，E2=E3=9.42 GPa，G12=G13=6.5 GPa，G23=3.4 GPa，v12=v13=0.28，v23=0.34，XT=1 830 MPa，XC=895 MPa，YT=31.3 MPa，YC=124.5 MPa，S=72 MPa，密度ρ=1 500 kg/m3。對(duì)新設(shè)計(jì)的復(fù)合材料機(jī)架，支桿結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，一般采用纖維纏繞工藝制成，其設(shè)計(jì)及制造沒(méi)有難以實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)。而桁架結(jié)構(gòu)的核心—接頭結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，尤其是機(jī)架中部的5向接頭，在設(shè)計(jì)、加工方面是研究的重點(diǎn)，需首先解決的是載荷分布問(wèn)題，可參考金屬材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行各向同性設(shè)計(jì)，然后組裝成整體機(jī)架進(jìn)一步確定詳細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工藝參數(shù)。

支桿是機(jī)架中承載壓縮和彎曲載荷的重要單元，其強(qiáng)度和剛度對(duì)機(jī)架最終承載能力有決定性的影響，設(shè)計(jì)時(shí)使用結(jié)構(gòu)效率較高的空心圓桿，而當(dāng)前碳纖維纏繞空心圓桿生產(chǎn)工藝比較成熟，生產(chǎn)出的桿件質(zhì)量穩(wěn)定、尺寸精度較好。設(shè)計(jì)時(shí)，所有桿件取相同截面尺寸和纖維纏繞角度(本文取3種纏繞角度90°/±θ)，根據(jù)對(duì)原金屬機(jī)架計(jì)算得到的各支桿軸向力及抗彎剛度，建立各桿件對(duì)截面尺寸、纏繞角度和纏繞厚度的優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，即：

(7)

復(fù)合材料接頭結(jié)構(gòu)中，5向接頭結(jié)構(gòu)的受力最為復(fù)雜，可參考文獻(xiàn)[12]按照各向同性材料計(jì)算，材料彈性常數(shù)取準(zhǔn)各向同性層壓板，即E=53.15 GPa，v=0.29，材料的等效拉伸和壓縮強(qiáng)度分別為603 MPa和352 MPa。對(duì)文中的2向和3向接頭，可按照各桿件所承受最嚴(yán)重的軸向力和彎曲工況確定結(jié)構(gòu)的壁厚，然后考慮安全余量及對(duì)接尺寸即可；而對(duì)5向接頭，雖然受力較為復(fù)雜，也可參考壁厚的設(shè)計(jì)方法確定，然后進(jìn)行強(qiáng)度校核，3種接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4所示。對(duì)接頭結(jié)構(gòu)，擬采用三維編織成型工藝，雖然編織方法的成本較高，但其減重帶來(lái)的收益和力學(xué)可靠性抵消了成本因素。復(fù)合材料機(jī)架的結(jié)構(gòu)質(zhì)量估算為3.52 kg。

表2 復(fù)合材料桿件優(yōu)化結(jié)果

圖4 復(fù)合材料接頭結(jié)構(gòu)Fig.4 Joints of composite thrust truss

2.4 綜合性能對(duì)比分析

由于機(jī)架的輪廓尺寸較大，而桿件的壁厚較薄且為層壓結(jié)構(gòu)，因此在機(jī)架建模時(shí)，對(duì)接頭結(jié)構(gòu)采用實(shí)體單元C3D10M模擬，對(duì)桿件結(jié)構(gòu)進(jìn)行殼單元S4R模擬，兩者之間通過(guò)多點(diǎn)約束MPC連接。機(jī)架3種載荷工況作用下的最大Mises應(yīng)力及軸向最大變形量統(tǒng)計(jì)如表3所示，可以看出：在10 kN無(wú)偏轉(zhuǎn)推力載荷作用下，機(jī)架結(jié)構(gòu)沿軸向最大變形量為0.15 mm，雖然較原金屬材料機(jī)架變形量增加0.02 mm，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)要求的2 mm；最大Mises應(yīng)力為50.1 MPa，出現(xiàn)在1～4桿的上端根部，最大應(yīng)力較原金屬材料機(jī)架下降了55.1%。10 kN推力載荷分別沿x向和y向偏轉(zhuǎn)±10°情況下，最大載荷工況為x向偏轉(zhuǎn)±10°工況，最大軸向變形量為0.23 mm，最大Mises應(yīng)力為72.2 MPa，如圖5所示。綜合對(duì)比分析，新設(shè)計(jì)復(fù)合材料機(jī)架力學(xué)性能在不低于原金屬機(jī)架基礎(chǔ)上，其結(jié)構(gòu)質(zhì)量下降了41.3%。

表3 復(fù)合材料機(jī)架最大Mises應(yīng)力及最大變形量計(jì)算結(jié)果

對(duì)復(fù)合材料機(jī)架，桿件結(jié)構(gòu)為承載的主要結(jié)構(gòu)，其中桿件截面尺寸和纏繞角度直接影響失穩(wěn)載荷和破壞載荷，圖6和圖7分別給出了桿件抗彎剛度、首層破壞載荷(桿件首層破壞強(qiáng)度×截面積)與截面中徑、纏繞角度的關(guān)系曲線。可以看出：抗彎剛度隨纏繞角度的增加基本呈線性趨勢(shì)下降，而隨截面中徑的增加而呈4次方增加；桿件首層失效載荷隨纏繞角度增加而單調(diào)下降，其中纏繞角度在小于15°之前下降較為緩慢，而超過(guò)15°后下降程度迅速增加，首層失效載荷隨截面中徑呈平方增加關(guān)系。因此，對(duì)于本文的復(fù)合材料桿件纏繞角度在10°～15°選取較為合理。

圖5 10 kN推力偏轉(zhuǎn)±10°時(shí)復(fù)合材料機(jī)架應(yīng)力云圖Fig.5 Stress distribution of composite thrust truss under 10 kN thrust with ±10° deflection angle

圖6 抗彎剛度隨纏繞角度和中徑變化關(guān)系Fig.6 Variation of bending stiffness with winding angle and mid-diameter

圖7 首層失效載荷隨纏繞角度和中徑變化關(guān)系Fig.7 Variation of first-ply failure load with winding angle and mid-diameter

3 結(jié)論

本文以某上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)桁架式機(jī)架為研究對(duì)象，探索了復(fù)合材料桁架式機(jī)架設(shè)計(jì)及應(yīng)用方面的技術(shù)方法，從材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、仿真分析及影響參數(shù)等方面對(duì)原金屬機(jī)架進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，新設(shè)計(jì)的復(fù)合材料機(jī)架較原機(jī)架減重40%以上，在滿足原強(qiáng)度、剛度等設(shè)計(jì)要求基礎(chǔ)上，強(qiáng)度安全系數(shù)較原機(jī)架有所提高。研究方法可為復(fù)合材料桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及后續(xù)工程應(yīng)用提供借鑒。