应变隔离垫面外拉伸力学性能研究.pdf
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1、2023 年 8 月 强 度 与 环 境 Aug.2023 第50卷第4期 STRUCTURE&ENVIRONMENT ENGINEERING Vol.50 No.4 收稿日期:2023-02-16;修回日期:2023-04-30 基金项目:国家自然科学基金联合基金项目(U20B2002),重点实验室基金(6142004210202)作者简介:陆毛须(1993-),男,博士,(100081)北京市海淀区中关村南大街 5 号宇航大楼 116.应变隔离垫面外拉伸力学性能研究 陆毛须1 吴振强2 李金铭1 郝自清1 刘刘1(1 北京理工大学 宇航学院力学系,北京 100081;2 北京强度环境研究所
2、 可靠性与环境工程技术重点实验室,北京 100076)摘要:应变隔离垫是重复使用飞行器刚性防热瓦热防护结构的重要组成部分,通过硅胶与冷结构和防热瓦进行粘接,应变隔离垫面外力学性能以及其与冷结构之间的粘接性能直接影响着飞行器使用安全,也是评估热防护系统可重复使用性能的基础性能参数。本文设计了应变隔离垫试验件,通过静载力学试验,获得了 SIP 在常温环境下(25)下拉伸应力-应变曲线及失效模式,应力-应变曲线表现出明显的大变形、非线性特征。建立了应变隔离垫的超弹性本构模型,结合有限元数值方法对 SIP 常温拉伸力学行为进行仿真分析,模拟结果和试验吻合较好。开展了 100、120以及 150高温环境
3、下 SIP 面外拉伸试验,结果表明 SIP 的拉伸刚度和强度具有温度敏感性,与粘结工艺密切相关,拉伸强度较室温条件下分别下降了 50.7%、70%、77%。上述研究成果能够为飞行器热防护系统的服役性能评估和工艺优化提供技术支撑。关键词:刚性防热瓦;应变隔离垫;超弹性本构;高温力学性能 中图分类号:V416.4 文献标识码:A 文章编号:1006-3919(2023)04-0001-07 DOI:10.19447/ki.11-1773/v.2023.04.001 Study on the Out-of-Plane Tensile Mechanical Properties of Strain-I
4、solation-Pad LU Maoxu1 WU Zhenqiang2 LI Jinming1 HAO Ziqing1 LIU Liu1(1 School of Aerospace Engineering,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China;2 Science and Technology on Reliability and Environmental Engineering Laboratory,Beijing Institute of Structure and Environment Engineering,Bei
5、jing 100076,China)Abstract:The strain isolation pad(SIP)is an important component of rigid insulation tile thermal protection system for reusable flight vehicles,which is bonded to the cold structure and thermal insulation tile by silica gel.The out-of-plane tensile mechanical properties of SIP and
6、the bonding performance with the cold structure directly affect the safety of the flight vehicle,and are also important basic material properties for assessing the reusability of the thermal protection system.In this paper,a SIP specimen was designed and bonded to the cold structure by silicone,and
7、the out-of-plane tensile stress-strain curve and failure mode of the SIP under room temperature(25 )and elevated temperature were obtained by static test.The stress-strain curve exhibits large deformation and nonlinear characteristics.A hyperelastic constitutive model of the SIP was proposed.The ten
8、sile mechanical behavior of SIP at room temperature was predicted through the finite element numerical method,and the results were in good agreement with the test.The uniaxial tensile tests of SIP at 100C,120C and 150C were conducted,and the results show that the tensile stiffness and strength of SI
9、P are sensitive to temperature and closely related to the bonding process.The tensile strength decreases by 50.7%,70%and 77%respectively compared to that of room temperature.The results can provide technical support for the evaluation and process optimization of thermal protection systems.Key Words:
10、rigid insulation tile;strain-isolation-pad;hyperelastic constitutive model;high temperature mechanical properties 2 强 度 与 环 境 2023 年 0 引言 随着航空航天领域的科技进步,重复使用飞行器成为当前的研究热点。当高超声速飞行器返回以及再入大气过程中,其表面经受着剧烈的气动加热(可达 1100以上)1-3,飞行器表面热防护系统(TPS)能否有效地隔绝热量以及承载气动力是保证飞行器安全运行的关键4-5。对于目前采用较多的刚性隔热瓦热防护系统,其主要由刚性隔热瓦、应变隔离垫
11、以及冷结构组成。隔热瓦普遍采用低导热系数材料作为原材料,是隔热的主要功能部件,其厚度较厚,一般在 20mm 以上。隔热瓦主要通过应变隔离垫与冷结构粘接在一起,由于隔热瓦和冷结构的刚度差别巨大,为了两者的变形协调一致,中间的应变隔离垫通常由软纤维成分的毛毡构成。应变隔离垫作为协调隔热瓦和机体表面变形的重要结构单元,在承受气动载荷作用时,会产生较为明显的应力应变响应,应力应变响应超出材料允许的最大响应极限时,SIP 可能会发生与机体表面分离等损伤破坏,高温气动载荷由缝隙处进入到 TPS 内部,会导致 TPS 发生热疲劳以及热膨胀等损伤更严重者导致飞行器发生解体破坏等灾难性事故。因此,在设计飞行器热
12、防护系统时校核 SIP 的力学性能如强度、刚度等是十分必要的。受限于试验条件以及材料工艺差异,目前关于 SIP 的研究仍然较少。Sawyer 等6研究了室温下 SIP 力学性能,通过试验的手段获取了单轴拉伸以及剪切载荷作用下 SIP 的强度以及应力应变响应等;NASA 开展了简单加载下 SIP 疲劳寿命相关的试验研究7;孔斌等8研究了 SIP 在室温以及高温下材料的拉伸、压缩以及剪切力学性能随温度的变化规律。总的来说,SIP 相关研究已经取得了一些重要的研究成果,然而 SIP 服役环境温度一般小于 150 度,也是影响其力学性能的主要温度区间,目前关于在该温度区间内 SIP 的力学性能及其与冷
13、结构的粘接性能受温度影响的研究较少。同时考虑到 SIP 质地较软,必须在两端粘接金属或者陶瓷块体构成单轴拉伸试验件,不同试验件以及试验夹具得到的结果往往具有较大的差别,进一步开展室温以及高温环境下 SIP力学性能试验对于获取并验证 SIP 面外力学性能参数的真实性与可靠性至关重要。为了解决上述问题,本文首先设计了铝合金-应变隔离垫-铝合金面外单轴拉伸试验件(以下简称 SIP 试验件),试验件不同组分通过硅胶进行粘接,在此基础上分别进行了室温(25)、100、120以及 150高温环境下的面外拉伸试验,获取了试验件的载荷位移曲线以及模量、强度等力学性能,根据试验结果分析了温度对 SIP 力学性能
14、的影响。建立超弹性本构模型结合有限元软件开展 SIP 试验件的数值模拟,模拟结果和试验结果吻合较好,验证了超弹性本构模型的正确性及可行性。1 试验件 试验所用应变隔离垫(SIP)经过铺层叠加到一定面密度并通过针刺工艺制成。SIP 通过硅胶与铝合金块粘接,典型结构与试验件分别如图 1、图 2 所示。SIP 试验件面内尺寸 25mm25mm,厚度为 3mm,分别与 25mm25mm40mm 厚铝合金块粘接,粘接、加压工艺与隔离垫工程应用保持一致。L1=40 mmL1=40 mmH=20mmD=10mm3粘接固化胶界面应变隔离垫图 1 SIP 典型结构尺寸图 Fig.1 Dimension of t
15、ypical SIP structure 图 2 SIP 试验件 Fig.2 SIP test specimen 2 试验方案 SIP 面外拉伸试验主要包括常温试验和高温试验,常温面外拉伸试验是在室温环境下获取SIP 试验件的基础力学性能,为进一步开展 SIP数值模拟研究提供基础参数。同时考虑到 SIP 在服役过程中长期处于 100-300的高温环境中,为了获得高温环境下 SIP 的力学性能以及失效模式,从而保障 SIP 的使用安全,进一步开展了 SIP试验件在高温环境下的面外拉伸试验,具体的试验方案及试验内容如 2.1 节及 2.2 节所述。第50卷第4期 陆毛须等 应变隔离垫面外拉伸力学性
16、能研究 3 2.1 室温面外拉伸试验方案 SIP 试验件与面外拉伸夹具安装如图 3所示,试验使用设备为 MTS810 液压伺服疲劳试验机。为保证试样与试验机主轴的对中,试样通过销钉与试验机作动器相连。当上端固定好后对力传感器进行调零,再移动下作动器进行下端固定,完全固定后将位移传感器清零。试验前施加 20N 的预加载力消除间隙,试验开始后采用位移控制加载直至失效,并记录失效模式,观察并记录每根试样的破坏模式,根据破坏模式判断试验的有效性:试样工作段内破坏,且破坏处没有明显缺陷,则为有效试验;破坏发生在明显缺陷处,或夹持内破坏,均视为无效试验。加载速率 1mm/min,采样频率 f=20 Hz。
17、图 3 SIP 面外拉伸试验示意图 Fig.3 Diagram of out-of-plane tensile test for SIP 在 预 试 验 中 同 时 采 用 线 性 位 移 传 感 器(LVDT)和试验机横梁位移传感器对 SIP 试验件进行位移测量的,LVDT 通过定位工装安装在试验件侧面,探针保证随试样一起变形,设置采样频率 f 为20 Hz。LVDT线性位移传感器和 MTS试验机横梁位移输出比较如图4所示,根据LVDT和 MTS 横梁位移输出比较结果,二者测量位移的相对误差始终在 1%以内。铝合金夹具拉伸弹性模量为 70 GPa 左右,应变隔离垫由芳纶纤维通过机织工艺加工而
18、成,查阅相关文献7可知,其拉伸弹性模量为 10 MPa 左右,后续应变隔离垫面外拉伸试验也进一步验证了该数据的可靠性。铝合金夹具的长度为 40 mm,应变隔离垫的长度为 3 mm,相同载荷水平下铝合金的变形量为应变隔离垫的 0.38%,因此线性位移传感器 LVDT测量“应变隔离垫+铝夹具”的总变形为应变隔离垫的变形,数据处理中两者之间的差异忽略不计。此外,LVDT 和横梁位移的比较也表明铝合金夹具和试验机之间变形传递误差较小,铝合金夹具的变形相对于应变隔离垫可以忽略不计,因此试验机横梁位移即为拉伸试验中的应变隔离垫的位移,两者之间的误差可以忽略。为了方便测试,在后续试验中移除 LVDT,仅用
19、MTS 试验机位移传感器测量的位移作为 SIP 试验件的变形输出。0204060801001201400.00.51.01.52.02.5Displacement/mmTime/sMTS LVDT 图 4 LVDT 和 MTS 横梁位移测量值比较 Fig.4 Comparison of displacement measured by LVDT and MTS 2.2 高温面外拉伸试验方案 高温面外拉伸 SIP 试验件尺寸及试样与室温环境相同,拉伸夹具安装如图 5 所示。图 5 应变隔离垫高温面外拉伸试验装置图 Fig.5 The setup of out-of-plane tensile t
20、est for SIP at elevated temperature 高温拉伸试验需要在高温环境箱中进行,原来的室温拉伸夹具无法达到要求。为保证试样能够在高温环境箱中加载,重新设计了高温拉伸夹具工装。试验温度最高为 150,在该温度下铝合金拉伸模量相比室温环境略微下降,但仍然在65GPa 以上9,远远大于 SIP 的拉伸模量,此时相同载荷水平下铝合金夹具的变形量约为应变隔离垫的 0.4%左右,试验中采用横梁位移作为 SIP的位移。试验机作动器通过不锈钢延长杆与试样连接,延长杆连接到试验机主轴后,试样再通过销钉与延长杆连接,当上端固定好后对力传感器4 强 度 与 环 境 2023 年 进行调零
21、,再移动下作动器进行下端固定,完全固定后将位移传感器清零。温控程序控制环境箱中温度值,待试样表面温度传感器示数达到预设温度后,保温时间 3min 以确保整体试样温度达到预设值,保温结束后采用位移控制加载直至失效,并记录失效模式,观察并记录每根试样的破坏模式,加载速率 1mm/min,采样频率 f=20 Hz。3 试验结果分析及讨论 3.1 室温面外单轴拉伸试验结果及分析 铝合金-应变垫(硅胶)室温单轴拉伸应力应变曲线如图 6 所示,其中应力、应变计算公式分别为:P WH=,l l=,其中P为 MTS 力传感器所测得拉伸载荷,W 和 H 为 SIP 的横截面度量尺寸,l通过 MTS 位移传感器测
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