完整圆柱壳铺层材料选用T700/6808碳纤维多轴向编织物, 铺层方式为[90₂/45/0₃/-45/90]s, 层数为16层。圆柱壳外径302 mm, 高360 mm(不含过渡段), 圆柱壳厚度为2 mm。为考虑轴压试验夹持情况的影响, 在圆柱壳试验段的两端, 设置了相同材料的高为70 mm的加强过渡段, 过渡段铺层方式为[90₂/45/0₃/-45/90/± 45₂/90/-45/0₃/45/90₂]s, 共铺40层。采用热压罐成型工艺, 整体件实物图如1所示。

图1

Fig.1

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图1 完整复合材料圆柱壳试件和夹具Fig.1 The composite cylindrical shell and the fixture

T700经编/6808复合材料的单层复合材料的弹性常数为:E₁=118.0 GPa; E₂=7.8 GPa; G₁₂=4.2GPa; G₂₃=3.0GPa; ν ₁₂=0.3; ν ₂₃=0.31。

布置应变计后的完整圆柱壳如图2所示, 调整其中心位置, 使上下夹头中心和试件的中心线重合。将各应变片的引脚连接到数据采集器上, 同时连接温度补偿应变片。

图2

Fig.2

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图2 轴压作用下的完整复合材料圆柱壳Fig.2 Composite cylindrical shell under axial compressive load

先进行小载荷下的预试验。载荷施加到30%设计载荷时(即有限元计算的屈曲载荷的30%), 进行加载设备及试件检查, 此时根据测量得到的应变数值的线性程度判断圆柱壳是否均匀受载。

为了准确地记录圆柱壳发生屈曲失稳时载荷的数值, 试验按10 kN/min为载荷级别逐级加载, 加载至70%设计载荷时, 将加载级别改为以2 kN/min进行加载, 直至加载到80%设计载荷。若此时试件未发生屈曲现象, 则将加载级别改为1 mm/min进行加载, 继续进行试验, 直至试件完全破坏为止。

对完整复合材料圆柱壳试件进行压缩破坏试验, 圆柱壳破坏时的状态如图3所示。破坏位置位于结构中上部, 破坏局部既有向内凹入又有向外凸出的部分, 裂纹沿环向延伸一周, 破坏形式为屈曲破坏。

图3

Fig.3

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图3 完整复合材料圆柱壳破坏部位图Fig.3 Damaged position of composite cylindrical shell

图4给出了复合材料圆柱壳中上段部位应变片测得的0° 方向上的载荷应变曲线。通过试验可以看出, 在载荷达到435 kN之前载荷应变曲线呈线性关系, 之后结构逐渐失去承载能力发生屈曲破坏, 完整圆柱壳的破坏载荷为447 kN。

图4

Fig.4

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图4 轴压载荷作用下复合材料圆柱壳的载荷应变曲线Fig.4 Load-strain curves for composite cylindrical shell under axial compressive load

根据复合材料稳定性铺层优化的要求^[13]:

(1)角度相同的铺层叠置不能超过2层以上。

(2)0° 、± 45° 、90° 四种角度的铺层中每一种至少占10%, 其中0° 铺层占20%~40%, ± 45° 铺层占40%~60%, 90° 铺层占10%~30%。

(3)载荷方向为0° 时, 避免采用90° 的层组, 用0° 或± 45° 层隔开。

结合文献[5]中的计算结果, 对复合材料叠层顺序进行优化, 将复合材料圆柱壳的叠层顺序由原先的[90₂/45/0₃/-45/90]s改变为[± 45/45/90/0₂/90/0]_s。计算得到改进后的圆柱壳临界屈曲载荷为607.5 kN, 比原设计方案提升了33.9%, 圆柱壳的稳定性得到了大幅地提高, 表明了改进设计的有效性。

根据设计需要, 在圆柱壳上开边长为120 mm× 120 mm的矩形口, 以便在导弹内部安装仪器设备, 并对其进行检查和维修。改变复合材料圆柱壳的铺层方式, 计算叠层顺序和铺层角度对开口圆柱壳体屈曲性能的影响。

为了保证圆柱壳轴向和周向的刚度, 保持材料中的0° 和90° 铺层不变, 改变± 45° 铺层的角度, 将± 45° 改变为± 0° 、± 5° 、± 10° 、…, 以5° 为单位逐步向± 90° 改变, 计算两种叠层顺序下的不同铺层角度时矩形开口圆柱壳的屈曲载荷, 其中原先顺序下± 45° 铺层的屈曲变形如图6所示。

图6

Fig.6

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图6 含开口圆柱壳屈曲变形Fig.6 Buckling behavior of cylindrical shell with opening

由变形云图可以看出, 矩形开口圆柱壳表面变形主要集中在开口左侧。计算得到开口柱壳的临界屈曲载荷为78.53 kN, 仅为原叠层顺序完整柱壳的17.3%, 结构的稳定性大幅下降, 必须对开口进行补强。

由图7可以看出, 开口圆柱壳的屈曲载荷随着角度从0° 到90° 的变化过程中先增大后减小, 当把结构中的45° 铺层改变为40° 时, 矩形开口圆柱壳的屈曲载荷达到最大值, 变为0° 铺层时的屈曲载荷比90° 时的屈曲载荷大。叠层顺序改进后, 柱壳的稳定性有了较大的提升, 其中45° 对应的屈曲载荷比原铺层提升了15.3%, 当角度大于70° 时, 原铺层方式屈曲载荷较大。

图7

Fig.7

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图7 结构屈曲载荷随圆柱壳铺层角度的变化Fig.7 Buckling load variation with ply angle of cylindrical shell

考虑到± 40° 为非常规铺层方式, 在工艺上存在一定的难度, 并且40° 和45° 对应的屈曲载荷相差不大, 因此选用改进叠层顺序后的45° 铺层方式作为最优方案。

在矩形开口的复合材料圆柱壳上加装口盖, 对其进行补强, 口盖材料和圆柱壳材料相同, 共16层, 其中口盖尺寸为140 mm× 140 mm, 开口圆柱壳体选用铺层方式[± 45/45/90/0₂/90/0]_s。由于口盖尺寸较小, 可对0° 和90° 铺层数量也作适当调整, 以研究复合材料口盖铺层方式对圆柱壳屈曲性能的影响, 建立的结构有限元模型及网格划分如图8所示。

图8

Fig.8

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图8 含口盖的复合材料圆柱壳几何模型及网格划分Fig.8 Geometric model and mesh division of composite cylindrical shell with cover

口盖铺层方式选用6种具有代表性的方案, 如表1所示, 分别对改进后的含口盖的复合材料圆柱壳进行轴向压缩屈曲分析。图9为方案1含口盖的复合材料圆柱壳屈曲变形云图, 可以看出, 屈曲变形主要分布在口盖的四周, 加装口盖后的开口圆柱壳得到了有效的增强。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 含口盖复合材料圆柱壳的屈曲载荷 Table 1 Buckling load of composite cylindrical shell with cover 方案 铺层方式 屈曲载荷/kN 1 [90/± 45/03/45/90]s 610.5 2 [± 45/45/90/02/90/0]s 613.6 3 [± 452/02/90/0]s 622.5 4 [± 452/0/902/0]s 608.2 5 [90/0]8 525.6 6 016 358.2

表1 含口盖复合材料圆柱壳的屈曲载荷 Table 1 Buckling load of composite cylindrical shell with cover

图9

Fig.9

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图9 含口盖圆柱壳屈曲变形Fig.9 Buckling behavior of cylindrical shell with cover

根据表1的计算结果, 加装口盖后圆柱壳的轴向屈曲强度得到了有效的提升。比较方案1和2, 复合材料口盖的叠层顺序对结构屈曲强度影响较小。根据优化要求, 方案3和4适当增加了45° 层, 对0° 和90° 层进行了少量调整。可见减少0° 层会导致结构轴向屈曲载荷降低, 适当地将90° 换成45° 可使屈曲载荷增大。而方案5和6则单独对0° 和90° 进行探索分析, 结果表明仅仅增加0° 层并不能提升结构的屈曲载荷, 而是需要各个角度的铺层相互协调作用。最终选择方案3作为复合材料圆柱壳口盖的最优设计方案, 比较改进前后结构的屈曲载荷结果如表2所示。

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 复合材料圆柱壳临界屈曲载荷/kN Table 2 Critical buckling load of composite cylindrical shell 未改进完整柱壳 改进后的 试验值 有限元计算值 完整柱壳 含口盖柱壳 435 453.8 607.5 622.5

表2 复合材料圆柱壳临界屈曲载荷/kN Table 2 Critical buckling load of composite cylindrical shell

表2给出了未经改进的完整复合材料圆柱壳屈曲载荷的有限元计算结果和试验值, 数值计算与试验结果吻合较好。从改进结果来看, 改进后带口盖结构的屈曲强度与改进后完整的柱壳屈曲强度相当, 略有提高, 改进后的圆柱壳承载能力比未改进的结构大幅提高, 反映出了经优化设计后的圆柱壳得到了有效的修补和增强。