復(fù)合材料艙體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度驗(yàn)證方法研究

【摘要】本文以復(fù)合材料艙體結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，依據(jù)承載考核要求，提出了一種可以在復(fù)合材料艙體結(jié)構(gòu)承載位置施加縱向載荷的加載驗(yàn)證方法，攻克了多點(diǎn)隨動(dòng)加載技術(shù)，解決了產(chǎn)品與模擬件加載過(guò)程中干涉的難題，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料艙體結(jié)構(gòu)多點(diǎn)縱向加載考核，并成功應(yīng)用于某大型復(fù)合材料艙體結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度驗(yàn)證中。檢測(cè)結(jié)果表明，此加載驗(yàn)證方法能夠準(zhǔn)確、高效完成大型復(fù)合材料艙體結(jié)構(gòu)整體載荷的施加，結(jié)果滿足使用設(shè)計(jì)要求，為復(fù)合材料艙體結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)及強(qiáng)度評(píng)估研究提供參考依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】復(fù)合材料|艙體|靜強(qiáng)度|驗(yàn)證方法

艙體結(jié)構(gòu)作為發(fā)射及在軌運(yùn)行階段儀器及設(shè)備穩(wěn)定工作的重要承力結(jié)構(gòu)，需要具備能夠承受大量級(jí)載荷的能力，其穩(wěn)定性、可靠性直接關(guān)系發(fā)射任務(wù)成敗。為滿足艙體結(jié)構(gòu)輕量化發(fā)展及增加搭載儀器設(shè)備重量的需求，對(duì)艙體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及承載能力提出了更高的要求[1]。復(fù)合材料具有重量輕、高承載能力等特點(diǎn)，本文以復(fù)合材料艙體結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，通過(guò)開(kāi)展結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度驗(yàn)證試驗(yàn)[2-3]，驗(yàn)證復(fù)合材料艙體的穩(wěn)定性和安全性。以往的復(fù)合材料艙體靜強(qiáng)度驗(yàn)證中，往往采用固定加載系統(tǒng)對(duì)承載結(jié)構(gòu)施加載荷[4-6]。但對(duì)于輕量化復(fù)合材料、載荷量級(jí)高的艙體結(jié)構(gòu)，采用傳統(tǒng)的固定及加載方式會(huì)引起結(jié)構(gòu)變形及穩(wěn)定性無(wú)法滿足試驗(yàn)驗(yàn)證要求，容易導(dǎo)致加載裝置與艙體結(jié)構(gòu)之間發(fā)生干涉，對(duì)艙體產(chǎn)生附加外力，造成整艙結(jié)構(gòu)無(wú)法精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)考核，同時(shí)，隨著結(jié)構(gòu)變形不斷增加，加載點(diǎn)位置發(fā)生偏移，從而影響艙體結(jié)構(gòu)考核的準(zhǔn)確性。為了解決復(fù)合材料艙體結(jié)構(gòu)多點(diǎn)固定，集中加載位置無(wú)法隨動(dòng)加載難題，本文提出了一種復(fù)合材料艙體結(jié)構(gòu)縱向載荷隨動(dòng)加載驗(yàn)證方法，并設(shè)計(jì)垂直雙面組合固連模擬裝置，充分保證了輕量化復(fù)合材料艙體結(jié)構(gòu)縱向載荷施加的準(zhǔn)確性，并提高驗(yàn)證結(jié)果的可靠性。

一、復(fù)合材料艙體特征介紹

復(fù)合材料艙體為長(zhǎng)方形結(jié)構(gòu)，外形尺寸2.5m×1.5m×1.2m，主要由水平板、側(cè)板、立板及集中加載點(diǎn)四部分結(jié)構(gòu)組成，集中加載點(diǎn)位于側(cè)板兩邊對(duì)稱(chēng)位置，與水平板、立板相互組合連接，其作用與加載系統(tǒng)連接，向復(fù)合材料艙體傳遞載荷，在水平板、側(cè)板、立板的邊緣位置布置有多組固定孔，用于艙體結(jié)構(gòu)的固連。

二、試驗(yàn)加載驗(yàn)證方案

（一）加載驗(yàn)證方案設(shè)計(jì)思路

根據(jù)對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析和考核的要求，加載驗(yàn)證方案需要具備的優(yōu)勢(shì)包括：（1）裝置必須滿足產(chǎn)品一側(cè)偏心加載考核的特點(diǎn)，需與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)多個(gè)固連位置匹配；（2）裝置需要有高強(qiáng)度、高剛度[7]，加載過(guò)程不能產(chǎn)生有害變形，以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品靜強(qiáng)度準(zhǔn)確驗(yàn)證的需要；（3）考慮加載中結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)的形變，裝置需要具備隨動(dòng)加載的能力，保證加載過(guò)程中不產(chǎn)生附加外力；（4）鑒于產(chǎn)品整體結(jié)構(gòu)艙內(nèi)外的布局特點(diǎn)，加載驗(yàn)證裝置需具備艙內(nèi)外協(xié)調(diào)作業(yè)空間。

（二）固連裝置設(shè)計(jì)

復(fù)合材料艙體結(jié)構(gòu)固連裝置穩(wěn)定性對(duì)其試驗(yàn)考核準(zhǔn)確性起到至關(guān)重要的作用，針對(duì)艙體結(jié)構(gòu)縱向載荷隨動(dòng)施加需求和技術(shù)難點(diǎn)，為保證產(chǎn)品靜強(qiáng)度驗(yàn)證結(jié)果的可靠性，設(shè)置專(zhuān)用的側(cè)面和底面固連方案，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位安裝[8]，將集中加載位置的縱向載荷精準(zhǔn)施加在復(fù)合材料艙體結(jié)構(gòu)上。艙體需實(shí)現(xiàn)兩平面垂直固連安裝，經(jīng)過(guò)多種加載方案的理論計(jì)算及仿真分析，確定垂直雙面組合固連方案為最佳的固連方案，設(shè)置一套固連裝置，包括底面固連水平梁、側(cè)面固連立梁、底面固連組件、側(cè)面固連組件等部分，各梁及組件安裝面均設(shè)置有相同間距的安裝孔位，采用螺接方式進(jìn)行相應(yīng)對(duì)接面的組合連接，連接位置靈活可調(diào)，可有效解決固連裝置不可調(diào)的問(wèn)題，通過(guò)裝置內(nèi)各梁及組件相對(duì)位置布局，精準(zhǔn)連接對(duì)應(yīng)產(chǎn)品接口位置，可在無(wú)附加外力情況下，完成復(fù)合材料艙體與固連裝置的連接。在側(cè)面固連組件上設(shè)置兩個(gè)進(jìn)出作業(yè)孔，保證艙內(nèi)作業(yè)空間及艙內(nèi)外聯(lián)合作業(yè)的協(xié)調(diào)性。垂直雙面組合固連裝置示意，見(jiàn)圖1所示。

（三）加載驗(yàn)證裝置設(shè)計(jì)

加載驗(yàn)證裝置的可靠性對(duì)載荷精準(zhǔn)施加及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估起到關(guān)鍵性作用，對(duì)艙體結(jié)構(gòu)需實(shí)現(xiàn)大載荷縱向穩(wěn)定考核，經(jīng)過(guò)多種加載方案的理論計(jì)算及仿真分析，確定的高度5m，寬度4m的大跨距龍門(mén)加載方案為最佳的加載驗(yàn)證方案，設(shè)置一套加載驗(yàn)證裝置，包括固定梁、加載立梁、加載橫梁 、縱向加載組件等部分，其中大跨距加載龍門(mén)各梁及組件間均采用螺接方式連接，通過(guò)其靈活可調(diào)的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)加載橫梁安裝平面中心位置與艙體兩個(gè)集中加載點(diǎn)縱向軸線空間相交，大跨距龍門(mén)加載裝置示意見(jiàn)圖2所示。在加載橫梁上依次安裝加載作動(dòng)筒及加載鉸鏈，將加載作動(dòng)筒及加載鉸鏈縱向軸線與艙體集中加載點(diǎn)縱向軸線保持重合，實(shí)現(xiàn)艙體縱向載荷隨動(dòng)加載及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度驗(yàn)證，整體驗(yàn)證裝置整體示意，見(jiàn)圖3所示，裝置穩(wěn)定性撓曲方程按照公式（1）計(jì)算。

式中：F為集中載荷（N）；E為彈性模量（Pa）；I為慣性矩（mm4）；L為梁的長(zhǎng)度（mm），X為距固支位置距離（mm）。

三、驗(yàn)證方法應(yīng)用

將隨動(dòng)加載驗(yàn)證方法應(yīng)用于復(fù)合材料艙體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度驗(yàn)證考核中。設(shè)置固連裝置1套，加載裝置1套，覆蓋艙體10處固連和2處集中考核位置；通過(guò)加載鉸鏈配合加載作動(dòng)筒，完成多量級(jí)加載驗(yàn)證試驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證示意見(jiàn)圖4所示。在集中加載點(diǎn)兩側(cè)布置多組應(yīng)變片，通過(guò)測(cè)量集中加載點(diǎn)加載后的應(yīng)變結(jié)果，計(jì)算出加載集中點(diǎn)的加載載荷結(jié)果，并與理論載荷分配結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，如表 1 所示；由表 1 可以看出，驗(yàn)證試驗(yàn)加載作動(dòng)筒集中載荷經(jīng)隨動(dòng)加載傳遞后，復(fù)合材料艙體所承受加載載荷誤差均在 1% 以內(nèi)，滿足試驗(yàn)加載誤差要求。試驗(yàn)過(guò)程中載荷逐級(jí)施加，記錄關(guān)鍵位置測(cè)點(diǎn)S05，S06等處的應(yīng)變數(shù)據(jù)，與理論結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，見(jiàn)圖5所示，通過(guò)應(yīng)變結(jié)果對(duì)比可分析出逐級(jí)加載后，應(yīng)變測(cè)量結(jié)果基本上呈線性變化，理論應(yīng)變數(shù)據(jù)與試驗(yàn)測(cè)量應(yīng)變數(shù)據(jù)結(jié)果吻合性良好。通過(guò)上述數(shù)據(jù)可以分析出，加載驗(yàn)證方法可靠性、穩(wěn)定性高，傳力路徑精準(zhǔn)，真實(shí)可靠的反映艙體受載狀況，可為復(fù)合材料艙體結(jié)構(gòu)提供有效結(jié)構(gòu)強(qiáng)度驗(yàn)證。

四、結(jié)語(yǔ)

以復(fù)合材料艙體結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，分析了復(fù)合材料艙體結(jié)構(gòu)縱向隨動(dòng)加載方法實(shí)施的必要性，提出并設(shè)計(jì)了一套基于復(fù)合材料艙體固連及加載的試驗(yàn)裝置，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證試驗(yàn)確認(rèn)了加載方法的加載精度，最終應(yīng)用于某大型復(fù)合材料艙體結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度試驗(yàn)驗(yàn)證中，解決了復(fù)合材料艙體與固連裝置及加載裝置間諸多干涉問(wèn)題。通過(guò)加載驗(yàn)證方法的研究及應(yīng)用結(jié)果表明： 復(fù)合材料艙體結(jié)構(gòu)的隨動(dòng)加載方法能夠準(zhǔn)確、高效完成艙體結(jié)構(gòu)載荷的施加，滿足驗(yàn)證要求。驗(yàn)證后產(chǎn)品完好，測(cè)得關(guān)鍵應(yīng)變數(shù)據(jù)隨加載量級(jí)呈線性變化，滿足結(jié)構(gòu)2倍以上承載要求，通過(guò)測(cè)量結(jié)果表明加載驗(yàn)證方法載荷傳遞路徑精準(zhǔn)，能夠真實(shí)可靠的驗(yàn)證產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，為復(fù)合材料艙體結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)及強(qiáng)度評(píng)估研究提供參考依據(jù)。中國(guó)軍轉(zhuǎn)民

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（作者簡(jiǎn)介：周?chē)?guó)棟，北京空間機(jī)電研究所工程師，碩士研究生，研究方向?yàn)閺?fù)合材料結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度試驗(yàn)技術(shù)及無(wú)損檢測(cè)技術(shù)；劉禹含、劉麗英、高征，北京空間機(jī)電研究所）