復(fù)合材料機匣熱態(tài)強度試驗方法研究

趙 偉，郭建英，石 煒，劉佳蓬，蘇瀚生

(中國航發(fā)四川燃氣渦輪研究院，四川綿陽 621000)

1 引言

推重比是衡量航空發(fā)動機先進性的一個關(guān)鍵指標，采用先進結(jié)構(gòu)和材料進行減重是提高航空發(fā)動機推重比的重要措施[1-3]。復(fù)合材料因其高比強度、高比剛度、耐腐蝕、耐鹽霧、耐老化和環(huán)境適應(yīng)性強等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域[4]。其中，復(fù)合材料機匣在航空發(fā)動機上的應(yīng)用也得到了高度重視。

在航空發(fā)動機復(fù)合材料機匣強度研究中，熱態(tài)試驗加載技術(shù)占有重要地位。機匣熱態(tài)強度試驗根據(jù)熱載荷的施加方式分為間接法和直接法兩種。間接法是通過對機匣材料進行溫度修正，使用在試驗溫度下的材料力學(xué)性能進行設(shè)計，試驗時不施加溫度載荷。直接法是設(shè)計時不對機匣材料進行溫度修正，試驗時通過加熱裝置對機匣施加溫度載荷。由于復(fù)合材料機匣的粘接層對熱載荷影響十分敏感，無法通過間接法對材料力學(xué)性能進行修正來考慮熱載荷的影響，只能通過加熱裝置直接施加溫度載荷[5-7]。

復(fù)合材料機匣熱態(tài)強度試驗需綜合考慮機械載荷加載系統(tǒng)、熱載荷加載系統(tǒng)、內(nèi)壓加載系統(tǒng)等的作用方式，以及各加載系統(tǒng)之間的耦合問題。機匣熱態(tài)強度試驗的熱載荷和內(nèi)壓載荷目前主要通過注入高溫高壓空氣進行加載。高溫高壓空氣加載方式對試驗場所和設(shè)備有較高的要求，溫度和壓力耦合對控制技術(shù)要求較高，試驗成本較高；且存在結(jié)構(gòu)間的密封困難，難以得到較高試驗壓力狀態(tài)下的數(shù)據(jù)樣本；試驗件破壞后破裂碎片容易造成飛濺損害等問題[8-12]。針對上述問題，本文提出一種加熱層接觸導(dǎo)熱配合內(nèi)置加壓裝置加壓的熱載荷和內(nèi)壓載荷加載方法，設(shè)計了一套復(fù)合材料機匣熱態(tài)強度試驗裝置，并開展了復(fù)合材料外涵機匣相關(guān)試驗方法研究，可為復(fù)合材料機匣的強度設(shè)計、分析和驗證提供技術(shù)支持。

2 試驗方法與設(shè)計

根據(jù)復(fù)合材料機匣熱態(tài)強度考核試驗要求，提出一種復(fù)合材料機匣熱態(tài)強度試驗方法。其中，機匣內(nèi)壁的熱載荷和內(nèi)壓載荷通過機匣內(nèi)壁設(shè)置加熱層配合內(nèi)置加壓裝置實現(xiàn)，機械載荷通過液壓加載系統(tǒng)配合加載工裝實現(xiàn)。設(shè)計了一套復(fù)合材料機匣熱態(tài)強度試驗裝置，包括加熱、加壓、機械加載、反力約束、控制等5 個子系統(tǒng)。試驗裝置利用多點協(xié)調(diào)加載控制器進行控制，實現(xiàn)各類載荷的同步加載，加壓能力和加溫能力需滿足復(fù)合材料機匣熱態(tài)強度試驗相關(guān)精度要求。

2.1 熱載荷加載方法

熱載荷采用加熱層傳導(dǎo)方式實施。試驗件為錐形殼體，為保證試驗件的均溫需求，設(shè)計制造與試驗件內(nèi)表面形狀尺寸相同的對開式加熱層，貼附于試驗件內(nèi)表面。加熱層示意圖見圖1，其最高加溫溫度根據(jù)工程實際設(shè)計。為減小試驗過程中的熱損耗以及保證溫度載荷的穩(wěn)定性，在加熱層內(nèi)表面和機匣外表面設(shè)置隔熱層。為提高試驗件溫度加載的均勻性，對開式加熱層溫度獨立控制。加熱層還應(yīng)具備足夠的延展性和強度，使其能夠適應(yīng)機匣內(nèi)表面變形，與機匣內(nèi)表面盡量貼合，且封堵機匣的引氣孔，防止壓力介質(zhì)沿引氣孔滲出。

圖1 加熱層分布示意圖Fig.1 Schematic diagram of heating layer

2.2 內(nèi)壓載荷加載方法

內(nèi)壓加載裝置是整個試驗裝置的核心部件。由于機匣內(nèi)表面粘附有加熱層，因此內(nèi)壓加載只能通過壓力傳遞方式實現(xiàn)，且內(nèi)壓加載裝置需具備耐溫性和絕緣特性。為保證內(nèi)壓加載的精度和均勻性，加壓介質(zhì)需與機匣內(nèi)壁盡量貼合接觸。目前的機匣強度試驗中，內(nèi)壓加載方式大多采用在密封腔體內(nèi)用高壓氣體或高壓液體加壓。該方式對試驗件的密封要求較高，且高溫條件下試驗件密封較為困難，危險性較高。本文所設(shè)計的內(nèi)置加壓裝置加壓方法可有效避免上述問題，同時經(jīng)過詳細設(shè)計，能有效適應(yīng)試驗件的不規(guī)則表面，具有較強的使用通用性。內(nèi)置加壓裝置主要包括加壓橡膠囊、傳壓流沙、隔熱層、加壓介質(zhì)，其組成如圖2所示。橡膠囊采用耐溫橡膠制成，高度與試驗件相同。為滿足橡膠囊的安裝條件和減小加壓介質(zhì)容量，橡膠囊結(jié)構(gòu)設(shè)計為環(huán)形，內(nèi)環(huán)面采用固定約束。橡膠囊膨脹量盡量設(shè)計在徑向機匣面，減小其他約束面的膨脹量。

圖2 內(nèi)壓加載裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of device for internal-pressure load

受橡膠囊的耐溫指標及其制作工藝的限制，以及大多數(shù)發(fā)動機機匣表面不規(guī)則形狀因素的影響，在橡膠囊和加熱層之間設(shè)置有流沙層，向橡膠囊通入高壓空氣后，壓力通過流沙層和加熱層傳遞至機匣內(nèi)表面。為保證施壓時傳壓流沙的流動性，傳壓流沙選用高目次石英砂。流沙層厚度根據(jù)壓力大小確定，同時需確保施壓狀態(tài)下高壓沙層流向低壓沙層后的厚度不為零。

2.3 機械載荷加載方法

試驗系統(tǒng)機械載荷加載方案如圖3所示。試驗中下機匣轉(zhuǎn)接段底面固定在加載平臺上，上機匣轉(zhuǎn)接段頂面設(shè)計機械加載盤，用于施加拉伸載荷和扭轉(zhuǎn)載荷。為消除內(nèi)壓軸向膨脹給試驗件帶來的附加軸向力，設(shè)計了軸向反力裝置，該裝置既約束內(nèi)壓軸向反力，也對流沙起到一定的密封作用；橡膠囊加壓口固定在反力裝置上，反力裝置設(shè)計具備一定的強度和剛度。

圖3 機械載荷加載裝置示意圖Fig.3 Schematic diagram of device for mechanical loading

2.4 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)的基本組成框架如圖4所示。機匣熱態(tài)強度試驗中載荷采用多點協(xié)調(diào)加載系統(tǒng)進行控制，一般靜態(tài)控制精度為±1%，力載荷控制執(zhí)行機構(gòu)為高響應(yīng)伺服閥。溫度載荷控制執(zhí)行機構(gòu)為溫控器。機械載荷機構(gòu)采用液壓缸加載，壓力載荷采用氣壓控制閥塊加載，溫度載荷采用加熱層加載。多點協(xié)調(diào)加載控制器根據(jù)載荷譜生成命令信號，驅(qū)動伺服閥和溫控器完成載荷加載。

圖4 控制系統(tǒng)示意圖Fig.4 Schematic diagram of control system

氣壓控制閥塊是內(nèi)壓加載的關(guān)鍵件，需兼顧伺服控制、失壓保護、流量調(diào)節(jié)功能，其原理如圖5 所示。氣壓伺服控制由三位四通伺服閥、協(xié)調(diào)加載控制器、壓力傳感器閉環(huán)控制實現(xiàn)，失壓保護模塊主要防止試驗件破裂后對周圍設(shè)備造成損傷。系統(tǒng)壓力反饋信號與命令信號超過設(shè)定值后，失壓保護模塊啟動，釋放系統(tǒng)壓力。當多個試驗狀態(tài)連續(xù)進行時，橡膠囊會因溫度積累升溫，需在裝置中保持一定的空氣流動量對橡膠囊降溫。

圖5 氣壓控制閥塊示意圖Fig.5 Schematic diagram of valve block for pressure control

3 試驗驗證及結(jié)果分析

3.1 試驗方案設(shè)計

某復(fù)合材料外涵機匣模擬件在發(fā)動機工況下承受機械拉-扭載荷、內(nèi)表面熱載荷、內(nèi)腔壓力載荷，需進行熱態(tài)強度考核試驗。復(fù)合材料機匣試驗段的外形如圖6 所示。中間錐形段為考核試驗對象，上下機匣為模擬轉(zhuǎn)接段，模擬轉(zhuǎn)接段模擬試驗件安裝邊界條件。試驗要求的載荷見表1，溫度載荷為均勻溫度，溫度載荷和壓力載荷同步施加于機匣內(nèi)表面。

圖6 試驗段外形示意圖Fig.6 Schematic diagram of test piece

表1 機匣熱態(tài)強度試驗載荷Table 1 Loading of hot strength test of casing

為滿足表1 中的加載要求，試驗裝置的加載指標除滿足表1外還需保證足夠的工程設(shè)計余量。為此，試驗裝置加熱層最高加溫溫度為500℃；橡膠囊密封狀態(tài)下最大承壓1.5 MPa，最大耐溫能力100℃，徑向膨脹量不小于20.00 mm。為選取合適的流沙層厚度，采用有限元軟件對系統(tǒng)進行建模，預(yù)估需要的流沙層厚度和流沙受壓后的壓力分布情況。橡膠囊內(nèi)加載1.5 MPa 壓力的有限元預(yù)估結(jié)果見圖7。圖中，p為流沙壓力，U1為徑向位移。圖中表明，流沙層壓力為1.5 MPa 均勻分布，橡膠囊和流沙層的徑向位移最大6.43 mm?？紤]到加熱層加壓后有徑向變形，通過試驗測試，確定流沙層厚度為20.00 mm。

圖7 內(nèi)壓加載裝置評估模型Fig.7 Evaluation model of device for internal-pressure load

復(fù)合材料外涵機匣模擬試驗件熱態(tài)強度考核試驗總體加載方案如圖8所示。對該系統(tǒng)的加載精度和內(nèi)壓載荷的均勻性進行了研究和分析。

圖8 總體加載方案圖Fig.8 The overall loading scheme diagram

3.2 載荷控制及誤差分析

軸向力載荷采用一對作動器進行軸向加載，扭轉(zhuǎn)載荷采用一對作動器進行周向加載，運用氣壓控制閥塊控制橡膠囊內(nèi)的空氣壓力進行內(nèi)壓加載，溫度載荷采用兩段對開式錐形段加熱層分段控制進行溫度加載，試驗結(jié)果如圖9 所示。各載荷的峰值保載平均值誤差如表2 所示，力載荷誤差和溫度載荷相對誤差均小于1%，滿足試驗加載精度要求。

圖9 試驗載荷控制曲線Fig.9 Control curve of test loading

表2 試驗載荷誤差分析Table 2 Error analysis of test loading

3.3 內(nèi)壓載荷加載均勻度分析

在考核試驗件外表面中部垂直于x軸的截面上周向均布4 片應(yīng)變片，且應(yīng)變片粘貼位置遠離引氣孔(圖10)。采用表1 中50%的內(nèi)壓載荷對試驗件進行內(nèi)壓加載，周向應(yīng)變監(jiān)測曲線如圖11所示。由曲線可得出，最高保載載荷下周向應(yīng)變最大值和最小值相差65 με，說明穩(wěn)態(tài)下內(nèi)壓加載較為均勻，流沙層傳壓設(shè)計滿足試驗要求。試驗中傳壓流沙的回彈性較差，導(dǎo)致載荷上升和下降過程曲線不完全對稱，下降過程中應(yīng)變有遲滯現(xiàn)象，但不影響機匣強度試驗考核技術(shù)要求。

圖10 試驗件應(yīng)變片粘貼位置Fig.10 The position of strain gauges

圖11 試驗件周向應(yīng)變監(jiān)測曲線Fig.11 Circumferential strain curve of test piece

3.4 試驗結(jié)果分析

對復(fù)合材料外涵機匣試驗件進行了多個狀態(tài)的熱態(tài)強度試驗，橡膠囊外環(huán)側(cè)的溫度隨試驗時間逐漸升高，通過調(diào)節(jié)加壓空氣流量，橡膠囊一側(cè)溫度總體能夠控制在60℃以內(nèi)。試驗過程中，考核試驗件內(nèi)表面垂直于x軸的中間截面均勻分布的4 支熱電偶測試曲線如圖12 所示，4 個測溫點的溫度波動均在±20℃以內(nèi)。圖9和圖12中顯示，加熱層溫度滿足控制精度后，試驗件內(nèi)表面監(jiān)測溫度隨壓力載荷的增大而升高。說明導(dǎo)熱式加熱效率與加熱層和試驗件的接觸狀態(tài)相關(guān)，加熱層形狀尺寸應(yīng)盡量貼合試驗件加熱內(nèi)表面。同類試驗中也觀察到相同現(xiàn)象，表明根據(jù)試驗件內(nèi)表面定制的兩段對開式錐形段加熱層設(shè)計較為合理。

圖12 試驗件加載時溫度和內(nèi)壓變化曲線Fig.12 Curve of temperature and internal pressure change under test load

試驗結(jié)束后對試驗件內(nèi)部加壓裝置進行分解發(fā)現(xiàn)，流沙層高度低于初始安裝高度約10.00 mm，加熱層變薄約8.00 mm，說明試驗中的流沙層厚度設(shè)計為20.00 mm可滿足試驗要求。

4 結(jié)論

(1)針對復(fù)合材料機匣熱態(tài)強度考核試驗需求，提出一種在內(nèi)外載荷和溫度載荷共同作用下的機匣熱態(tài)強度試驗方法，解決了機匣同一工作表面進行熱壓同步加載時的干涉問題；設(shè)計的基于液壓系統(tǒng)、空氣加壓系統(tǒng)、多點協(xié)調(diào)加載控制系統(tǒng)的機匣熱態(tài)強度試驗裝置，滿足復(fù)合材料機匣熱態(tài)強度考核試驗要求。

(2)試驗裝置可準確模擬外涵機匣試驗件的邊界條件，具有良好的適應(yīng)性和較高的加載精度，壓力載荷的最大加載誤差為0.28%，溫度載荷加載精度0.70%，機械載荷的加載精度為0.63%。

(3)完成了復(fù)合材料外涵機匣熱態(tài)強度試驗，加載溫度均勻度小于±20℃，內(nèi)壓加載均勻，流沙層厚度參數(shù)設(shè)計合理。