大尺寸整体C/SiC复合材料蒙皮骨架松动问题分析

笨香蕉 ⋅ 2024-07-10 12:28:59 ⋅ 阅读 ⋅ 宇航材料论文

张利鹏侯保江辛克浩孙亦璋王成华

（北京航天长征飞行器研究所，北京 100076）

文摘针对大尺寸整体C/SiC复合材料骨架和蒙皮结构在165 dB热噪声试验调试过程中出现的蒙皮松动问题进行分析，提出了蒙皮与骨架装配时空悬面积过大引起蒙皮呼吸振动幅度增加，从而导致噪声振动环境中蒙皮松动的现象。仿真分析表明，在相同的加速度激励下随着蒙皮与骨架局部空悬面积变大，位移响应增大约1.72 倍；通过装配间隙为0.2、0.6、1 mm 的3 组平板试验件进行验证，当蒙皮与骨架间隙较大时，其胶层厚度也较大，经过多次热加载后，胶层粘接性能下降，蒙皮与骨架之间空悬现象显现，在振动激励下导致蒙皮松动。最后提出了大尺寸复合材料蒙皮与骨架装配时需保证最大间隙不超过0.3 mm的改进措施。

0 引言

C/SiC 复合材料即碳纤维增强陶瓷基体复合材料，具有优异的抗烧蚀性能、高比强度、高比模量、耐热冲击等特点，是一种性能可设计的新型高性能复合材料［1］。在空气中使用时，当环境温度达到1 500 ℃时仍然可以保持良好的力学性能，广泛应用于火箭喷管、航天飞机等高温耐磨的航空航天技术领域中［2］。随着航天型号中大尺寸舵翼结构研制需求增加，C/SiC 复合材料蒙皮和骨架的应用也越来越多，蒙皮与骨架的可靠连接也至关重要［3］。本文针对某型大尺寸舵面结构采用整体C/SiC 材料制备而成的骨架和蒙皮结构在经历4 次热加载试验后进行165 dB 热噪声试验调试过程中出现的蒙皮松动问题进行机理分析，并提出改进措施。

1 问题描述

某型号舵面形状类似于飞机V 形尾翼，外形尺寸为1 500 mm×900 mm×130 mm，舵面尺寸较大，采用了蒙皮+骨架结构形式，局部连接结构如图1所示。蒙皮厚度为4 mm，通过61 个沉头螺钉与骨架连接，蒙皮和骨架均为整体改性C/SiC 材料一体成形，采用液相浸渍工艺，经过多轮复合制得，蒙皮与骨架装配时贴合面需涂高温胶。沉头螺钉材料与骨架蒙皮相同，螺纹规格M8，螺钉连接时涂抹高温胶，并施加拧紧力矩2.5 N·m。

图1 舵面局部结构Fig.1 Local structure of rudder sruface

骨架局部结构如图2所示，骨架与蒙皮贴合面设有多处肋板。

图2 骨架局部结构Fig.2 Local structure of skeleton

骨架和蒙皮生产过程中的随炉板力学性能如表1所示。

表1 C/SiC复合材料性能Tab.1 Properties of C/SiC

舵面骨架和蒙皮装配后进行165 dB 热噪声试验调试，检查发现蒙皮与骨架贴合面大面积出现松动，有明显“按压松动”迹象，但61 个螺钉中仅5 个螺钉出现松动，其余仍为拧紧状态。

2 机理分析

2.1 理论分析

蒙皮与骨架之间主要通过复合材料沉头螺钉紧固连接，以确保使用过程中蒙皮与骨架能始终贴合，避免蒙皮松动并传递有效载荷［4］。蒙皮与骨架接触面间不可避免存在“空悬”面积，“空悬”面积越大蒙皮呼吸振动效应越明显，越易导致螺钉或蒙皮松动甚至断裂［5］。设计上采取以下措施控制蒙皮与骨架贴合状态：

（1）对骨架网格结构进行优化，在满足质量和承载等约束条件下，通过增加骨架网格数量的方式减小“空悬”面积；

（2）在设计准则允许的情况下增加螺钉数量，以提高骨架蒙皮结构耐受冲击/振动环境能力；

（3）在装配过程中控制蒙皮和骨架装配间隙，尽量减少间隙，防止“空悬”面积增大，提高骨架蒙皮结构耐受冲击/振动环境的适应能力［6］。

对产品进行检查发现蒙皮与骨架贴合存在较大面积间隙，测量结果表明蒙皮与骨架大部分间隙均超过0.3 mm，局部间隙甚至超过1 mm。图3为蒙皮与骨架某处间隙实测情况，结果为0.4 mm。

图3 蒙皮与骨架间隙实测值Fig.3 Clearance between skeleton and skin

在理想贴合或间隙较小情况下，通过螺钉紧固+小缝隙粘接的方式可以实现蒙皮与骨架间可靠连接；但当间隙较大时，即使采取加胶措施但若不做填布处理，在高温和振动载荷作用下因胶层失效物质流失，螺钉将很难将蒙皮与骨架紧固和可靠连接，由于贴合面“空悬”从而造成蒙皮松动现象发生。

而61 个螺钉中仅5 个螺钉出现松动，但大面积蒙皮已经松动，松动的复合材料螺钉均处于蒙皮与骨架之间的空悬区域，根据螺钉松动产生的机制，可以判断此5 个螺钉松动是由于蒙皮松动后引起局部区域响应放大产生的。

2.2 仿真分析

模态频率是表征结构振动的固有特性，根据模态差异可以定性评估其对噪声引起的振动环境适应性的趋势，据此开展了蒙皮和骨架连接区局部结构的对比分析，建立相应模型使用有限元方法分析“空悬”面积大小对蒙皮“呼吸”振动的影响程度。

工况1为蒙皮和骨架贴合较好状态，计算模型如图4所示。该约束条件下一阶模态频率与振型结果如图5所示。从模态分析结果看，在蒙皮四周与骨架连接良好的情况下，蒙皮与骨架局部结构的一阶频率为1 941.7 Hz。

图4 工况1蒙皮和骨架贴合较好Fig.4 The first condition that the skin fits well with the skeleton

图5 工况1一阶频率Fig.5 The frequency of the first condition

工况2 为蒙皮和骨架中间不贴合状态，如图6所示，取中间桁条为非粘接状态。该约束条件下一阶模态频率与振型结果如图7所示。从模态分析结果看，当其中一块骨架与蒙皮连接出现异常，即存在间隙没有紧密连接在一起时，此时空腔蒙皮的区域变大，从而局部的模态频率迅速降低，一阶模态频率为1 481.8 Hz，比正常状态下降约500 Hz。

图6 工况2蒙皮与骨架贴合较差Fig.6 The second condition that the skin fits bad with the skeleton

图7 工况2一阶频率结果Fig.7 The frequency of the second condition

对于简谐振动，加速度与幅值的关系为：

式中，Xm为位移幅值，Am为加速度，ω为角频率，f为频率。

在相同的加速度下，位移幅值与结构的频率平方成反比，即［7］：

按工况1 和工况2 的模态计算结果，将一阶频率代入公式（3），可得：

从而可知，因蒙皮与骨架局部空悬面积的变大，在相同的加速度激励下，位移响应会增大约1.72倍。空悬面积越大，引起的位移响应也越大。

从噪声试验的破坏机理分析中，噪声源的主要破坏方式就是引起薄壁结构的振动响应，从而导致蒙皮区域的结构破坏［8］。若蒙皮与骨架存在间隙，则空腔蒙皮的区域扩大，不仅局部的“呼吸”频率会降低，也会导致该处蒙皮的振动响应异常放大，加速紧固螺钉的失效，严重会导致局部区域蒙皮应力集中乃至破坏。

3 试验验证

3.1 试验件状态

为了验证蒙皮与骨架之间间隙对振动响应的影响，设计了蒙皮与骨架间隙分别为0.2、0.6、1 mm 的局部典型平板粘接试验件，结构形式和典型特征尺寸如图8所示粘接后的试验件状态见图9。试验件材料均为C/SiC 复合材料，蒙皮与骨架连接30 mm 内为涂胶区域，其余区域为非涂胶区，模拟蒙皮与骨架之间的连接状态。