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纤维复合材料低温强冲击适用性研究

刘康  
【摘要】: 低温液体的有效安全储运,不仅具有重要的经济价值,也事关人民群众生命和国家财产安全,尤其在航天工业、国防工业等高科技研究应用领域,以低温液体作为能量供应源(如液氢、液氧、液化天然气等)或冷量供应源(如液氮、液氦等),直接关系国家尖端科技发展、国土安全防卫等根本性战略保障问题,具有重要的研究价值和意义。 本论文针对抗强冲击特种低温液体储运容器内支撑结构在设计、选材、性能测试、热-结构耦合场分析、抗强冲击性能分析等方面做了深入的研究工作,确认采用玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料作为抗强冲击特种低温液体储运容器径向内支撑在低温强冲击工况下的适用性,该研究工作同样适用于一般低温液体储运容器内支撑结构方面的设计评价。 首先,本文对各类常用纤维增强聚合物基复合材料的性能,特别是低温下的热性能和力学性能进行了总结性对比,重点在热力品质因数如比强度、比模量、强度-导热系数比、模量-导热系数比方面突出了纤维复合材料在常、低温下的性能优势,分析结果表明,玻璃纤维增强复合材料在77K以上常-低温温区具有最佳热力性能优势,因此被广泛应用于航天器结构支撑、低温杜瓦结构支撑、压力容器和低温储罐制材等方面。 其次,考虑到20m3特种液氧储罐内外筒体径向最大间距70mm、两侧轴向间距不超过450mm的实际结构设计尺寸,确定采用布置于两侧的厚壁纤维增强复合材料支撑管和连接内外筒体的不锈钢管以组合套管形式作为径向内支撑,同时结合两侧抗冲击辅助支撑、轴向支撑形成液氧储罐内支撑整体结构。在此基础上,成功研制壁厚300mm以上、轴宽范围60mm~136mm的玻璃纤维布增强环氧树脂基复合材料支撑管,并完成113K~293K温区范围管材常、低温热性能、机械性能测试,结果表明环氧玻璃钢管适合作为承受径向压缩载荷作用支撑件,但同时应避免出现过大径向拉伸应力和层间剪切应力作用。 第三,专门搭建低温液体储运容器径向支撑结构大温差热力试验平台,用以检验环氧玻璃钢管在真实试验工况下的性能表现和应用安全性。试验平台径向支撑结构尺寸与特种液氧储罐相同,测试对象包括试验平台从内筒体充注液氮起至最终实现稳态热力平衡过程中环氧玻璃钢管90?径向测点位置上的温度、应变分布变化情况,以及环氧玻璃钢管径向支撑与内、外筒体不锈钢支撑管之间270?间隙变化情况。试验结果反映: a)环氧玻璃钢管测点温度范围为122.22K~230.88K ,环氧玻璃钢管与不锈钢管低温端界面温差范围为20.9K~109.6K,常温端界面温差范围为53.5K~70.86K;b)径向支撑结构漏热量为56.23W;c)平衡状态下各测点位置径向均为压应力,最大为10.58MPa;层向随半径增大由拉应力过渡为压应力,其中最大拉应力为45.30MPa,最大压应力为16.58MPa;d)各测点位置最大应力均小于各自极限强度,根据修正Tsai-Hill强度理论和Hoffman强度理论分析环氧玻璃钢管未发生结构破坏但常温端内圈相对具有更大的强度校验结果;e)平衡状态下试验平台径向支撑界面间隙变化及总体位移量很小。 第四,根据热弹性耦合理论分别建立径向支撑传热分析模型和结构分析模型,利用ANSYS建立试验平台径向支撑有限元热-结构耦合分析模型,在理论分析和假设前提下参照已有试验结果完成静载热分析和结构分析计算工作,得到径向支撑结构初始边界条件。模型计算结果反映:a)环氧玻璃钢管各测点位置温度计算结果与试验结果误差范围为±6%,整体温度场范围为110.72K~233.39K,环氧玻璃钢管与不锈钢管低温端界面温差范围为26.3K~119.9K,常温端界面温差范围为56K~82.2K;b)环氧玻璃钢管径向支撑漏热量为46.62W;c)平衡状态下各测点位置径向均为压应力,最大为43.55MPa;层向随半径增大由拉应力过渡为压应力,其中最大拉应力为35.44MPa,最大压应力为14.93MPa;d)环氧玻璃钢管各方向最大应力均小于材料相应极限强度,根据修正Tsai-Hill强度理论和Hoffman强度理论分析环氧玻璃钢管未发生结构破坏,最大强度校验值位于常温端内圈受最大拉应力作用位置;e)试验平台径向支撑结构热力平衡状态时,冷热两端界面在周向0o~180o范围均处于过盈接触状态且过盈量小。对比计算结果和试验结果可以看出,有限元分析模型中选取界面边界条件能够有效反映环氧玻璃钢管与不锈钢管径向支撑结构真实工况,计算结果在合理误差范围内具备较高的可信度,能够作为对试验结果的补充扩展和进一步关于20m3液氧储罐内支撑结构热力耦合理论分析计算的参考依据。 第五,沿用大温差热力试验平台热-结构耦合理论分析模型中径向支撑结构界面边界条件,建立20m3液氧储罐有限元分析模型,以顺序耦合场分析方法完成模型热分析计算和静载、垂向10g冲击载荷下的结构分析计算。最终的模型计算结果反映:a)环氧玻璃钢管径向支撑的温度场范围为96.0K~277.2K,径向温差范围为57.6K~173.6K;b)液氧储罐内支撑结构整体漏热量为99.86W,占设计许可最大漏热量的49.31%,其中径向支撑结构漏热量为57.21W,占内支撑结构整体的57.3%;c)静载工况下径向支撑结构中环氧玻璃钢管与不锈钢管之间界面间隙在周向0o~180o范围均有减小,去除初始间隙影响,低温端接触界面在0o~168o发生过盈,常温端接触界面在30o~144o发生过盈;d)垂向强冲击作用下模型左侧环氧玻璃钢管常温端内圈90°靠外筒体边角位置XY剪切正应力将高出对应剪切极限强度4.6%,达到34.3MPa,右侧环氧玻璃钢管低温端外圈表面90°靠内筒体边角位置XZ剪切正应力将高出对应剪切极限强度2.5%,达到43.3MPa;e)冲击作用造成径向支撑结构冷热两端界面在周向0o~180o范围均处于过盈接触,其中低温端接触界面过盈量范围为0.003~0.611mm,常温端接触界面过盈量范围为0.013~0.459mm;f)虽然垂向10g冲击作用将造成环氧玻璃钢管局部发生剪切破坏,但位置均处于边缘且破坏区域径向、轴向上均受压应力作用,在树脂基体中所出现的局部裂纹无进一步扩展的空间,不会造成更大破坏,环氧玻璃钢管径向支撑在20m3液氧储罐设计强冲击载荷作用下仍然具有良好的支撑隔热能力。采用纤维复合材料作为抗强冲击特种低温容器内支撑结构部件具备相当高的应用安全性。 第六,对套管形式径向支撑结构界面间隙在热-结构耦合作用下随不同初始边界条件的变化规律以及对漏热的影响进行分析研究,证实该支撑结构界面间隙在适合边界条件下的自适应特性:a)静载热力平衡状态下径向支撑冷热端界面间隙在过盈接触区域变化小,初始间隙变化对于过盈区域影响小;b)界面间隙变化过程中形成虚拟接触区域,对结构漏热进行动态阻隔,同时使环氧玻璃钢管所分布应力处于较低水平,径向支撑结构具备良好的低温应用稳定性。 以环氧玻璃钢管和不锈钢管在组合结构设计作为抗强冲击特种低温容器径向支撑结构,能够承受来自径向360°范围的强冲击载荷作用,应用于20m3液氧储罐径向内支撑结构被证实在设计强冲击载荷作用下能够有效保障支撑能力。经由理论分析和试验结果确认建立的特种低温容器内支撑结构热力耦合有限元分析模型,能够有效反应内支撑结构在真实工况下的性能表现及反应,为进一步的材料性能与结构设计优化工作提供可靠的理论分析手段。


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