復合材料推力筒設計與整體制備技術研究
推力結構是連接發動機與運載器箭(彈)體的主承力構件，其主要作用是將發動機產生的集中推力通過推力結構轉變成均布推力，傳遞給運載器主結構，推動其飛行，是運載器中必不可少的重要組成部分。
本文針對軟模輔助RTM工藝的技術關鍵，開展了碳纖維環氧復合材料推力筒的設計與制備研究，主要進行了復合材料推力筒的結構形狀與鋪層設計，推力筒纖維預成型體的滲透率測試方法及影響因素分析和樹脂充模時間估算，復合材料推力筒的內腔尺寸精度控制方法，結構整體成型時界面纖維鋪層局部搭接增強方式，整體成型具有復雜型面的復合材料推力筒的模具設計與制備：
后，本文對復合材料推力筒軸向壓縮性能進行了測試與分析。
復合材料推力筒結構形狀與鋪層設計方面：
采用有限元分析和優化設計相結合的方法，以復合材料推力筒在復雜載荷作用下的承載能力和變形情況為優化設計目標，設計出具有高結構穩定性的復合材料推力筒。
終設計的復合材料推力筒為錐形體結構，其大端直徑為1500mm，小端直徑為950mm，筒高為590mm，由大小端法蘭，12個主承力支柱，1個環向加強筋和帶24個大開口的筒壁四部分構成，能夠承受1000kN的軸壓載荷和87kN的橫向載荷的共同作用。
根據復合材料推力筒的承載特點，復合材料推力筒母線方向采用12k T700碳纖維無緯帶鋪層，環向采用3kT300碳纖維平紋布，當二者的鋪層體積比為4:1時，結構具有佳的承載能力。
復合材料推力筒固化工藝條件方面：
比較系統地研究了復合材料推力筒纖維預成型體的滲透率測試方法及其影響因素，測試出了用于估算樹脂充模時間的碳纖維預成型體滲透率。
為滿足RTM工藝樹脂注射系統的要求，復合材料推力筒樹脂基體采用雙酚F型環氧樹脂，該樹脂的大特點是室溫粘度只有雙酚A型環氧樹脂(典型的如E．51環氧樹脂)的14-17，且力學性能優良；固化劑采用DETA(反應活性較高)和DEPA(反應活性較低)兩種固化劑混合使用，通過調整二者的配比，可以獲得不同適用期的樹脂配方。
在制備半尺寸復合材料推力筒縮比件中，二者的混合比例為2：
4(重量比)，其在4012時的樹脂適用期為18min。
雙酚F型環氧樹脂
DETA
DEPA體系澆鑄體的拉伸強度為66.0MPa，彎曲強度為102.0MPa，其性能介于雙酚F型環氧樹脂
DETA澆鑄體和雙酚F型環氧樹脂
DEPA澆鑄體之間。
經DSC測試分析，雙酚F型環氧樹脂
DETA
DEPA復合固化劑體系的初始反應溫度是22℃，高放熱峰溫度為75℃，高固化溫度為116℃，由此確定了復合材料推力筒固化工藝條件是，在模具內的固化溫度為75℃，脫模后的后固化溫度為120℃。
復合材料推力筒內徑尺寸精度控制方面：
在軟模輔助RTM工藝中，復合材料推力筒的內徑尺寸精度由軟模控制。
由于軟模尺寸變化對溫度非常敏感，因此欲獲得高精度尺寸的復合材料推力筒，就需要精確控制軟模的膨脹量。
本文根據成型軟模與復合材料推力筒內壁和纖維預成型體間的空間位置關系，結合軟模材料的熱膨脹壓力方程，運用解析方法推導出軟模尺寸控制方程。
通過該方程來調整軟模的尺寸、膨脹壓力和膨脹量，從而達到控制推力筒內腔尺寸精度的目的。
本文還對軟模輔助RTM工藝和普通RTM工藝制備出的復合材料試樣進行了性能對比試驗，分析了軟模對試樣的厚度、纖維體積含量和力學性能的影響。
結果表明，按照該方程設計的軟模尺寸能夠滿足復合材料推力筒的尺寸精度設計要求，并且發現采用軟模輔助RTM工藝成型的復合材料試樣不僅纖維體積含量高，而且力學性能也高，對其顯微形貌的觀察發現，其內部缺陷明顯減少，纖維層間結合緊密。
復合材料推力筒各部位因結構形狀和位置不同，在承受外載時，在其界面間將存在剪切應力作用，影響結構的承載能力。
通過對復合材料推力筒主承力支柱、環向加強筋與筒壁界面間采用3kT300碳纖維平紋布進行面搭接局部增強后，顯著降低了界面的剪切應力。
剪切應力由初的28MPa，下降并穩定在20MPa，其碳纖維平紋布的小搭接寬度為10mm。
成型模具設計與制備及推力筒構件制備方面：
根據軟模輔助RTM工藝制備技術的基本原理和復合材料推力筒的結構特點，設計并制備出了半尺寸復合材料推力筒縮比件成型模具。
成型模具主要由兩部分組成，成型復合材料推力筒外表面的玻璃鋼陰模和成型復雜內表面的組合陽模。
其中組合陽模又由熱膨脹軟模和金屬剛性支撐體組成。
剛性支撐體一方面起支撐軟模形狀和輔助脫模的作用，另一方面可在其內部安裝電加熱裝置，用以提供軟模膨脹所需要的溫度。
復合材料推力筒的外表面尺寸精度由剛性陰?？刂?，內表面的尺寸精度由軟?？刂?。
根據此模具成功地制備出了半尺寸碳纖維
環氧復合材料推力筒縮比件。
推力筒各部位的結構尺寸精度高，表觀性能佳，沒有普通RTM工藝在成型復雜復合材料構件時經常出現的表面富樹脂層堆積的問題，表明采用軟模輔助RTM工藝可以制備出高質量的復合材料結構。
復合材料推力筒軸向壓縮性能考核方面：
對制備出的半尺寸復合材料推力筒縮比件進行了軸向壓縮性能試驗。
當測試的軸向壓縮載荷達到500kN時，結構并未發生塌陷和失穩破壞，有繼續承載能力。
通過測量軸向壓縮載荷下簡體軸向位移發現，各測試位置的簡體軸向位移不同，表明，推力筒結構局部剛度不均勻；通過測量軸向壓縮載荷下主承力支柱縱向形變和環向加強筋周向形變可知，在相同的載荷下，主承力支柱只發生了壓縮變形，而環向加強筋的周向形變則比較復雜，既有拉伸形變，又有壓縮形變。
進一步分析表明，引起主承力支柱和環向加強筋形變不一致的主要原因是主承力支柱的纖維鋪層不均勻，這不但影響了推力筒結構局部剛度不均勻，而且還會影響其整體承載效率..……
更多信息請關注復合材料信息網m.lzzz.net
本文針對軟模輔助RTM工藝的技術關鍵，開展了碳纖維環氧復合材料推力筒的設計與制備研究，主要進行了復合材料推力筒的結構形狀與鋪層設計，推力筒纖維預成型體的滲透率測試方法及影響因素分析和樹脂充模時間估算，復合材料推力筒的內腔尺寸精度控制方法，結構整體成型時界面纖維鋪層局部搭接增強方式，整體成型具有復雜型面的復合材料推力筒的模具設計與制備：
后，本文對復合材料推力筒軸向壓縮性能進行了測試與分析。
復合材料推力筒結構形狀與鋪層設計方面：
采用有限元分析和優化設計相結合的方法，以復合材料推力筒在復雜載荷作用下的承載能力和變形情況為優化設計目標，設計出具有高結構穩定性的復合材料推力筒。
終設計的復合材料推力筒為錐形體結構，其大端直徑為1500mm，小端直徑為950mm，筒高為590mm，由大小端法蘭，12個主承力支柱，1個環向加強筋和帶24個大開口的筒壁四部分構成，能夠承受1000kN的軸壓載荷和87kN的橫向載荷的共同作用。
根據復合材料推力筒的承載特點，復合材料推力筒母線方向采用12k T700碳纖維無緯帶鋪層，環向采用3kT300碳纖維平紋布，當二者的鋪層體積比為4:1時，結構具有佳的承載能力。
復合材料推力筒固化工藝條件方面：
比較系統地研究了復合材料推力筒纖維預成型體的滲透率測試方法及其影響因素，測試出了用于估算樹脂充模時間的碳纖維預成型體滲透率。
為滿足RTM工藝樹脂注射系統的要求，復合材料推力筒樹脂基體采用雙酚F型環氧樹脂，該樹脂的大特點是室溫粘度只有雙酚A型環氧樹脂(典型的如E．51環氧樹脂)的14-17，且力學性能優良；固化劑采用DETA(反應活性較高)和DEPA(反應活性較低)兩種固化劑混合使用，通過調整二者的配比，可以獲得不同適用期的樹脂配方。
在制備半尺寸復合材料推力筒縮比件中，二者的混合比例為2：
4(重量比)，其在4012時的樹脂適用期為18min。
雙酚F型環氧樹脂
DETA
DEPA體系澆鑄體的拉伸強度為66.0MPa，彎曲強度為102.0MPa，其性能介于雙酚F型環氧樹脂
DETA澆鑄體和雙酚F型環氧樹脂
DEPA澆鑄體之間。
經DSC測試分析，雙酚F型環氧樹脂
DETA
DEPA復合固化劑體系的初始反應溫度是22℃，高放熱峰溫度為75℃，高固化溫度為116℃，由此確定了復合材料推力筒固化工藝條件是，在模具內的固化溫度為75℃，脫模后的后固化溫度為120℃。
復合材料推力筒內徑尺寸精度控制方面：
在軟模輔助RTM工藝中，復合材料推力筒的內徑尺寸精度由軟模控制。
由于軟模尺寸變化對溫度非常敏感，因此欲獲得高精度尺寸的復合材料推力筒，就需要精確控制軟模的膨脹量。
本文根據成型軟模與復合材料推力筒內壁和纖維預成型體間的空間位置關系，結合軟模材料的熱膨脹壓力方程，運用解析方法推導出軟模尺寸控制方程。
通過該方程來調整軟模的尺寸、膨脹壓力和膨脹量，從而達到控制推力筒內腔尺寸精度的目的。
本文還對軟模輔助RTM工藝和普通RTM工藝制備出的復合材料試樣進行了性能對比試驗，分析了軟模對試樣的厚度、纖維體積含量和力學性能的影響。
結果表明，按照該方程設計的軟模尺寸能夠滿足復合材料推力筒的尺寸精度設計要求，并且發現采用軟模輔助RTM工藝成型的復合材料試樣不僅纖維體積含量高，而且力學性能也高，對其顯微形貌的觀察發現，其內部缺陷明顯減少，纖維層間結合緊密。
復合材料推力筒各部位因結構形狀和位置不同，在承受外載時，在其界面間將存在剪切應力作用，影響結構的承載能力。
通過對復合材料推力筒主承力支柱、環向加強筋與筒壁界面間采用3kT300碳纖維平紋布進行面搭接局部增強后，顯著降低了界面的剪切應力。
剪切應力由初的28MPa，下降并穩定在20MPa，其碳纖維平紋布的小搭接寬度為10mm。
成型模具設計與制備及推力筒構件制備方面：
根據軟模輔助RTM工藝制備技術的基本原理和復合材料推力筒的結構特點，設計并制備出了半尺寸復合材料推力筒縮比件成型模具。
成型模具主要由兩部分組成，成型復合材料推力筒外表面的玻璃鋼陰模和成型復雜內表面的組合陽模。
其中組合陽模又由熱膨脹軟模和金屬剛性支撐體組成。
剛性支撐體一方面起支撐軟模形狀和輔助脫模的作用，另一方面可在其內部安裝電加熱裝置，用以提供軟模膨脹所需要的溫度。
復合材料推力筒的外表面尺寸精度由剛性陰?？刂?，內表面的尺寸精度由軟?？刂?。
根據此模具成功地制備出了半尺寸碳纖維
環氧復合材料推力筒縮比件。
推力筒各部位的結構尺寸精度高，表觀性能佳，沒有普通RTM工藝在成型復雜復合材料構件時經常出現的表面富樹脂層堆積的問題，表明采用軟模輔助RTM工藝可以制備出高質量的復合材料結構。
復合材料推力筒軸向壓縮性能考核方面：
對制備出的半尺寸復合材料推力筒縮比件進行了軸向壓縮性能試驗。
當測試的軸向壓縮載荷達到500kN時，結構并未發生塌陷和失穩破壞，有繼續承載能力。
通過測量軸向壓縮載荷下簡體軸向位移發現，各測試位置的簡體軸向位移不同，表明，推力筒結構局部剛度不均勻；通過測量軸向壓縮載荷下主承力支柱縱向形變和環向加強筋周向形變可知，在相同的載荷下，主承力支柱只發生了壓縮變形，而環向加強筋的周向形變則比較復雜，既有拉伸形變，又有壓縮形變。
進一步分析表明，引起主承力支柱和環向加強筋形變不一致的主要原因是主承力支柱的纖維鋪層不均勻，這不但影響了推力筒結構局部剛度不均勻，而且還會影響其整體承載效率..……
更多信息請關注復合材料信息網m.lzzz.net
