摘要
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。
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
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 舵面局部结构
Fig.1 Local structure of rudder sruface
骨架局部结构如
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
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。
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
(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
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 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。
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 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 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:
(1) |
(2) |
式中,为位移幅值,为加速度,为角频率,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,
(3) |
按工况1和工况2的模态计算结果,将一阶频率代入
(4) |
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
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 局部典型平板尺寸
Fig.8 The size of local typical flat
图9 平板试验件状态
Fig.9 The flat test products
根据力热强度试验热载荷条件和165 dB噪声试验实测振动响应数据进行包络,确定平板试验件载荷条件。
每个试验件重复施加4次热加载,前三次加载按
图10 背风面热载荷条件
Fig.10 Thermal loading conditions on leeward side
图11 迎风面热载荷条件
Fig.11 Thermal loading conditions on windward side
振动试验条件根据165 dB噪声试验调试过程中蒙皮响应实测进行了包络,同时考虑振动台设备能力,最终确定的试验条件如
热加载试验首先进行3次背风面加热曲线加载,随后进行一次迎风面加热曲线加载,在每次加载后都自然冷却至自然温度并对结构进行目视检查,确认胶层无异常后进行下一次加
图12 热加载试验过程
Fig.12 The process of thermal loading test
振动试验状态如
图13 振动试验状态
Fig.13 The status of vibration test
在热加载试验前后均对3块平板缝隙处的胶层进行了外观检查,同时在热加载试验后也对平板进行了按压检查,均未发现明显的异常。
在进行完随机振动试验后,对3个平板试验件进行了检查,三种状态紧固螺钉均仍处于紧固状态,但蒙皮与骨架之间状态不一致,结果如下:
(1)0.2 mm胶层厚度的试验件外观检查胶层无异常,同时按压平板结构无异常,如
图14 间隙为0.2 mm平板试验后状态
Fig.14 The state after test of 0.2 mm clearance falt
(2)0.6 mm胶层厚度的试验件外观检查胶层有轻微疏松异常,按压平板可感受轻微晃动,测量蒙皮与骨架之间的间隙约为0.73 mm,如
(3)1 mm胶层厚度的试验件部分胶层脱落,按压平板可以明显感觉到两板之间未明显贴合,存在一定的按压间隙量,同时在按压时可以听见胶层有“吱吱”响声。测量蒙皮与骨架之间的间隙达到1.45 mm,三种状态紧固螺钉均仍处于紧固状态,如
图15 间隙为0.6 mm平板试验后状态
Fig.15 The state after test of 0.6 mm clearance flat
图16 间隙为1 mm平板试验后状态
Fig.16 The state after test of 1 mm clearance flat
试验结果表明:在振动试验过程中,自由端承受大量级振动激励,当胶层在经历多次热加载后其拉离性能下降,自由端可能出现了脱粘的可能,但因紧固螺钉仍有限位作用,无法出现大变形的可能,故自由端会出现间隙变大的现
(1)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,越易导致蒙皮或连接螺钉松动甚至断裂。
(2)随着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。
(3)当蒙皮与骨架之间间隙较大时,其胶层厚度也较大,在经过多次热加载后,胶层粘接性能会下降,蒙皮与骨架之间“空悬”现象显现,在较大振动响应激励下出现蒙皮松动。
(4)为了保证大尺寸C/SiC材料蒙皮骨架装配可靠,蒙皮与骨架装配时需保证最大间隙不超过0.3 mm。
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