大直徑弱剛性貯箱筒段內(nèi)撐裝配過(guò)程應(yīng)力分析

李波 渠曉溪 馬康 谷春杰 顧中華

（1 天津航天長(zhǎng)征火箭制造有限公司，天津 300462; 2 大連理工大學(xué)，大連 116023）

0 引言

新一代大型運(yùn)載火箭是中國(guó)由航天大國(guó)向航天強(qiáng)國(guó)邁進(jìn)的重要支撐和顯著標(biāo)志[1]。貯箱材料采用2219鋁合金，既承受內(nèi)壓又承受軸壓載荷，且為低溫貯箱，是運(yùn)載火箭的關(guān)鍵部件，對(duì)焊接質(zhì)量提出了非常高的要求[2]。在貯箱制造過(guò)程中，裝配工藝是影響貯箱質(zhì)量的重要因素。由于5m直徑結(jié)構(gòu)貯箱整體剛性弱、部件形位偏差大，易引起對(duì)接錯(cuò)縫，需要采用內(nèi)撐、外壓裝置，以保持工件的穩(wěn)定不變形[3]。目前解覺(jué)方式為通過(guò)內(nèi)撐塊將筒段撐至一定直徑，內(nèi)撐工裝處于對(duì)接焊縫中心處，使錯(cuò)邊基本消除。但筒段在內(nèi)撐變形之后必須保持在彈性范圍內(nèi)，保證焊縫處為無(wú)塑性損傷撐大?，F(xiàn)有的裝配工藝參數(shù)是根據(jù)大量實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)摸索出來(lái)的經(jīng)驗(yàn)值，對(duì)于撐出后筒段尤其是焊縫處的受力情況缺少數(shù)據(jù)支撐，裝配工藝參數(shù)較為寬泛，為進(jìn)一步提高焊接質(zhì)量，需對(duì)筒段內(nèi)撐狀態(tài)下應(yīng)力情況進(jìn)行研究。

分布式光纖傳感器是將光纖既作為傳感介質(zhì)，又作為傳輸介質(zhì)，利用光在光纖中的散射原理，對(duì)沿光纖分布的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行連續(xù)測(cè)量，獲得被測(cè)量參數(shù)（溫度、應(yīng)力、振動(dòng)等）隨空間和時(shí)間變化的信息[4]的測(cè)量技術(shù)，具有空間尺寸小、柔性好等特點(diǎn)，比較適用于布線空間有限或曲面結(jié)構(gòu)，或結(jié)構(gòu)局部需要進(jìn)行高密度、高靈敏度測(cè)量的情況。目前不僅已在橋梁路面的監(jiān)測(cè)[5]、海底管道溫度應(yīng)變測(cè)量[6]、地鐵隧道振動(dòng)檢測(cè)[7]等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，在航空航天領(lǐng)域也有適應(yīng)性應(yīng)用。顧欣[8]等人研究了航空航天器復(fù)合材料加筋板板面撞擊與筋條撞擊兩種情況下，板面和筋條上光纖Bragg光柵傳感器撞擊響應(yīng)特性，提出了一種基于分布式光纖傳感器的復(fù)合材料加筋筋條撞擊位置辨識(shí)方法。針對(duì)鋁合金材料貯箱筒段的內(nèi)撐過(guò)程，其布設(shè)的分布式光纖傳感器網(wǎng)絡(luò)可以很好的采集筒段焊縫鄰域的高密度應(yīng)變數(shù)據(jù)，了精確地反映了筒段在常溫狀態(tài)下進(jìn)行內(nèi)撐時(shí)的表面應(yīng)變和應(yīng)力分布，能夠?yàn)樵u(píng)價(jià)貯箱結(jié)構(gòu)狀態(tài)，確保焊接質(zhì)量受控進(jìn)行提供有力保障。

本文基于分布式光纖傳感器測(cè)量方法，選取10mm厚度的5m直徑筒段，在內(nèi)撐作用下，分析測(cè)量筒段在不同的撐出量時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變情況，研究探討筒段撐出半徑變化值與筒段所受應(yīng)力的關(guān)系，為實(shí)際裝配工藝參數(shù)的選定提供理論支撐。

1 試驗(yàn)方法

1.1 分布式光纖傳感器布設(shè)

試驗(yàn)采用1根長(zhǎng)度5米的分布式光纖傳感器，在貯箱筒段外表面縱縫關(guān)鍵部位進(jìn)行布設(shè)，筒段為4塊壁板滾彎后焊接而成，其中壁板采用網(wǎng)格筋條結(jié)構(gòu)，厚度為10mm，每部分為一個(gè)象限，焊接完成后吊至裝配型架固定。光纖傳感器實(shí)物及光纖粘貼區(qū)域如圖1所示，經(jīng)過(guò)了2條縱焊縫，為從III偏I(xiàn)I象限12°至III偏I(xiàn)V象限12°共計(jì)114°的測(cè)量范圍。

圖1 光纖傳感器及布設(shè)路徑Fig.1 Optical fiber sensor and placement math

布設(shè)時(shí)對(duì)光纖的頭部和尾部進(jìn)行保護(hù)，靠近接頭位置的藍(lán)色套管位于應(yīng)變測(cè)量范圍外部，并用膠帶固定在筒段的測(cè)量區(qū)域之外。分布式光纖傳感器與筒段焊縫、肋板相交，其交點(diǎn)視為光纖的節(jié)點(diǎn)。采用環(huán)氧樹(shù)脂膠固定在筒段上，環(huán)氧樹(shù)脂膠厚度保證可以完全沒(méi)過(guò)光纖即可，保證均勻。

1.2 光纖關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)定位

光纖解調(diào)系統(tǒng)順利啟動(dòng)后，將布設(shè)好的光纖連接到解調(diào)儀，解調(diào)儀如圖2所示，使用熱點(diǎn)法對(duì)光纖路徑的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位。

圖2 分布式光纖解調(diào)儀 Fig.2 Distributed fiber demodulator

將試件放置在穩(wěn)定平面，當(dāng)被測(cè)結(jié)構(gòu)狀態(tài)穩(wěn)定后，測(cè)基準(zhǔn)數(shù)據(jù)。此時(shí)測(cè)量得到的應(yīng)變曲線為一條上下波動(dòng)不超過(guò)2με的直線，然后用手指靠近光纖關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)附近，并測(cè)量應(yīng)變，會(huì)發(fā)現(xiàn)應(yīng)變曲線出現(xiàn)明顯的波峰，大小在200με左右，這個(gè)波峰對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)就是節(jié)點(diǎn)在光纖長(zhǎng)度方向的坐標(biāo)。用同樣的方法定位其余節(jié)點(diǎn)。此試件光纖節(jié)點(diǎn)位置如表 1所示。其中，第4個(gè)節(jié)點(diǎn)與第16個(gè)節(jié)點(diǎn)是焊縫中點(diǎn)，第1個(gè)節(jié)點(diǎn)是光纖測(cè)量起點(diǎn)，第19個(gè)節(jié)點(diǎn)是光纖尾部，其余的節(jié)點(diǎn)是筋條與光纖的相交點(diǎn)。

表1 光纖節(jié)點(diǎn)位置 Table 1 The fiber node position

1.3 數(shù)據(jù)采集方案

將分布式光纖傳感器通過(guò)接頭的光纖跳線與解調(diào)儀相連，解調(diào)儀通過(guò)USB3.0數(shù)據(jù)線與計(jì)算機(jī)相連進(jìn)行工藝試驗(yàn)。根據(jù)實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，選取支撐塊接觸筒段表面但無(wú)荷載、筒段半徑增大1mm、2mm、3mm共4個(gè)工況進(jìn)行工藝試驗(yàn)。試件與設(shè)備連接完成，在不同的受力狀態(tài)下，采集基準(zhǔn)數(shù)據(jù)并保存；卸載時(shí)同步采集數(shù)據(jù)并保存。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

以筒段不受加載外力，即支撐塊與筒段不接觸時(shí)的測(cè)量數(shù)據(jù)作為光纖測(cè)量的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，通過(guò)光纖傳感器測(cè)量得到筒段變形的應(yīng)變數(shù)據(jù)，依據(jù)公式σ=Eε，其中E=71.6GPa，得到不同變形量下筒段的應(yīng)力分布情況，其中光纖傳感器上0.794m和4.754m位置分別對(duì)應(yīng)筒段上的兩個(gè)焊縫位置。

2.1 支撐塊逐級(jí)加載過(guò)程筒段應(yīng)力分析

對(duì)支撐塊逐級(jí)加載過(guò)程筒段應(yīng)力分布進(jìn)行了測(cè)量。當(dāng)支撐塊與筒段表面接觸時(shí)，筒段已經(jīng)產(chǎn)生了變形，如圖3所示，表示此時(shí)存在有應(yīng)力（應(yīng)變）變化，支撐塊已對(duì)筒段施加了一定的荷載，并不是理想的接觸而不施加力的狀態(tài)。焊縫位置也出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力極值出現(xiàn)在4.754m處的焊縫位置，為116.21MPa，其余區(qū)域的應(yīng)力水平主要分布在0～40MPa之間。

圖3 內(nèi)撐與筒段接觸時(shí)筒段應(yīng)力分布Fig.3 The stress distribution of tube in contact between inner brace and tube

隨著內(nèi)撐塊逐漸推出，當(dāng)筒段半徑增大1mm時(shí)，筒段應(yīng)力逐漸增大。依據(jù)應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系公式ε=ΔL/L，筒段半徑增大1mm時(shí)，筒段環(huán)向一周產(chǎn)生的理論應(yīng)變?yōu)?00με，理論應(yīng)力增大28.64MPa。由于內(nèi)撐塊與筒段接觸時(shí)，對(duì)筒段的大部分區(qū)域已造成了0～40MPa不等的應(yīng)力變化，可以看出除了兩個(gè)焊縫區(qū)域外，筒段應(yīng)力主要分布在20MPa～60MPa范圍內(nèi)。應(yīng)力集中位置在兩個(gè)焊縫區(qū)域，應(yīng)力峰值分別是100.52MPa和155.95MPa。當(dāng)筒段半徑增大2mm時(shí)，兩焊縫區(qū)域的應(yīng)力峰值分別是141.77MPa、181.72MPa，其余區(qū)域應(yīng)力主要分布在40MPa～80MPa之間，撐出過(guò)程中焊縫處變形為彈性變形。

當(dāng)筒段半徑增大3mm時(shí)，筒段應(yīng)力分布情況如圖4所示。此時(shí)筒段應(yīng)力繼續(xù)增大，兩焊縫區(qū)域的應(yīng)力峰值分別是201.41MPa、256.33MPa，其余區(qū)域應(yīng)力水平主要分布在50MPa～100MPa之間。根據(jù)2219鋁合金板材焊接試片實(shí)際測(cè)得的力學(xué)性能，焊縫處實(shí)際屈服強(qiáng)度約為200MPa，則在此過(guò)程中部分焊縫已變?yōu)樗苄宰冃危糸L(zhǎng)時(shí)間撐出狀態(tài)下，會(huì)對(duì)筒段整體圓度周長(zhǎng)及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響。

圖4 筒段撐出半徑增大3mm時(shí)筒段應(yīng)力分布Fig.4 The stress distribution of cylinder section when the protrusion radius increases by 3mm

將逐級(jí)加載過(guò)程不同支撐狀態(tài)下筒段應(yīng)力分布情況進(jìn)行對(duì)比觀察，如圖5 所示，可以看出，逐級(jí)加載過(guò)程中各級(jí)應(yīng)力變化趨勢(shì)相同，在焊縫區(qū)域位置為應(yīng)力峰值，隨著筒段半徑增大，各節(jié)點(diǎn)應(yīng)力值逐漸增加，并在焊縫處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。除焊縫節(jié)點(diǎn)外，其余大多數(shù)節(jié)點(diǎn)應(yīng)力值在100MPa以下，并未發(fā)生塑性變形，說(shuō)明壁板加筋結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。

圖5 筒段不同撐出狀態(tài)下各級(jí)應(yīng)力分布Fig.5 The stress distribution of cylinder section by different protrusion radius

2.2 支撐塊卸載后筒段殘余應(yīng)力分析

逐級(jí)加載完成后將內(nèi)撐塊撤出，在完全卸載后（支撐塊與筒段不接觸）測(cè)量計(jì)算的應(yīng)力數(shù)據(jù)中出現(xiàn)了5個(gè)大于5MPa的峰值，標(biāo)號(hào)分別為a，b，c，d，f，如圖6所示。對(duì)峰值位置進(jìn)行了測(cè)量，峰值a位于光纖的0.202m處，第一個(gè)焊縫區(qū)出現(xiàn)了2個(gè)峰值b和c，分別位于在0.758m處和0.825m處，第二個(gè)焊縫區(qū)同樣出現(xiàn)了2個(gè)峰值d和f，分別位于4.724m處和4.787m。

通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，峰值a位置在光纖起點(diǎn)處，在固定光纖頭部時(shí)，有一部分光纖沒(méi)有用環(huán)氧樹(shù)脂膠固定在筒面上，光纖測(cè)量起點(diǎn)位置是環(huán)氧樹(shù)脂膠固定光纖的起點(diǎn)位置。支撐筒段時(shí)，環(huán)氧樹(shù)脂膠起始點(diǎn)斷面處光纖產(chǎn)生了剪切力，出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，完全卸載后產(chǎn)生了峰值。

圖6 卸載后筒段應(yīng)力分布Fig.6 The stress distribution of cylinder section after unloading

對(duì)焊縫及b、c、d、f六個(gè)位置的各級(jí)應(yīng)力數(shù)據(jù)單獨(dú)分析，如圖7所示?？梢钥闯?，在逐級(jí)加載階段，應(yīng)力集中的峰值均在（或接近）焊縫處。而在卸載完成后，在第一個(gè)焊縫區(qū)域，峰值b、c分別距焊縫36mm和31mm，在第二個(gè)焊縫區(qū)域，峰值d、f分別距離焊縫30mm和33mm，可以看到在卸載后，兩個(gè)焊縫附近仍有小于10MPa的應(yīng)力作用，即焊縫區(qū)域附近仍有微小的局部變形?，F(xiàn)有研究顯示：焊接后整體處理可以消除80～90%的焊接殘余應(yīng)力，局部熱處理也只能降低焊接殘余應(yīng)力的峰值，不能將其完全消除。由于攪拌頭對(duì)焊縫中心區(qū)的碾壓（鍛壓）作用，攪拌摩擦焊接頭殘余應(yīng)力峰值并非出現(xiàn)于焊縫中心區(qū)，熱影響區(qū)和熱機(jī)影響區(qū)是殘余應(yīng)力相對(duì)較大的區(qū)域[9]。因此造成這種焊縫區(qū)域應(yīng)力分布的原因是筒段未恢復(fù)至初始位置的變形以及焊縫區(qū)域的焊接殘余應(yīng)力共同作用的結(jié)果。

圖7 焊縫區(qū)域關(guān)鍵點(diǎn)的應(yīng)力分布Fig.7 The stress distribution of key points in weld zone

3 結(jié)論

本文借助分布式光纖傳感器，對(duì)不同內(nèi)撐工況下10mm厚2219鋁合金筒段應(yīng)力分布進(jìn)行了測(cè)量分析，探討了筒段撐出半徑變化值與筒段所受應(yīng)力的關(guān)系。

經(jīng)過(guò)測(cè)量分析，支撐塊逐級(jí)加載過(guò)程中各級(jí)應(yīng)力變化趨勢(shì)相同，筒段焊縫區(qū)域?yàn)閼?yīng)力峰值，筒段半徑增大時(shí)，焊縫處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。除焊縫節(jié)點(diǎn)外，大多數(shù)節(jié)點(diǎn)應(yīng)力值在100MPa以下，說(shuō)明壁板加筋結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。當(dāng)筒段半徑增大3mm時(shí)，焊縫處已出現(xiàn)塑性變形，若長(zhǎng)時(shí)間撐出會(huì)對(duì)筒段整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響，因此實(shí)際裝配中應(yīng)嚴(yán)控變形量。