碳纤维/环氧复合材料壳体补强新工艺
及方法对比研究
王欢：
刘勇琼
田蔚
廖英强
（西安航天复合材料研究所，西安710025）
文摘为了降低复合材料壳体封头区域的应力集中，提高壳体整体性能，对复合材料壳体薄弱区进行补强以及采用何种方法进行补强是关键问题。本文以碳纤维150mm复合材料壳体为研究对象，以理论分析和有限元分析为依据，分别采用碳布补强和纤维继绕补强对壳体前后封头及赤道附近位置进行补强。试验结果表明：纤维继绕补强效果明显好于碳布补强，壳体特性系数由40.3km提高到48.5km，应力平衡系数提高到 0.95，纤维发挥强度由3378.1MPa提高到4058.4MPa。
关键词复合材料壳体，补强，壳体特性系数，应力平衡系数，纤维发挥强度
Comparison With New Reinforcement Technology of
Carbon/EpoxyCompositeCase
WangHuan
LiuYongqiong
LiaoYingqiang
Tian Wei
(Xi'an Aerospace Composites Research Institute, Xi'an 710025)
AbstractTo decrease the stress concentration on the dome of composite case, and improve the ability of the composite case, the key problem is how to reinforce the weakness of case and using which method to reinforce it. The 150 mm case of carbon fiber composites is studied in this paper, on the basis of theoretical analysis and finite ele-ment analysis,using carbon cloth and filament winding to reinforce dome and around equator of the case. As a result, the effect of filament winding reinforcement is better than carbon cloth reinforcement, case characteristic factor reaches to 48.5km, stress equilibrium up to 0.95, developed fiber strength by 3 378.1 MPa to 4 058.4 MPa.
Key wordsComposite case, Reinforcement, Case characteristic factor, Stress equilibrium, Developed fiber strength
0引言
20世纪90年代，刘炳禹等()在进行高性能碳纤维在固体火箭发动机壳体上应用研究的试验过程中发现，碳纤维复合材料壳体在水压爆破时的破坏部位绝大多数发生在金属件边缘，同时存在低应力爆破现象。分析认为，按网格理论设计的复合材料壳体虽然是一个等张力结构，但由于复合材料成型过程中影响因素极其复杂，加之开口附近的纤维堆积、架空等原因，封头附近容易产生应力薄弱区域。因此水压爆破的破坏位置多发生在封头部位，使筒段纵环向纤维的
强度未得到充分发挥，导致壳体爆破压力偏低。收稿日期：2012-08-28
为了解决上述问题，刘炳禹等提出了对壳体进行封头补强的措施。他们提出了用布带铺放补强、无纬布铺放补强、纤维缠绕补强、封头帽补强、其他小范围局部补强法等方案。通过实验验证得到开展封头补强研究是提高壳体性能的一种有效方法，但是并未解决壳体什么时候需要补强以及在哪些位置补强才能达到最好效果等关键问题。
本文以碳纤维Φ150mm加长壳体（图1）为研究对象，以网格理论为基础，经过有限元结构分析后，以改进的网格理论为补充，分别采用两种不同的补强方法，开展封头补强试验研究。
作者简介：王欢，1984年出生，硕士研究生，主要从事复合材料结构力学性能的研究。E-mail：wang_huan1208@163.com
88 万方数据
宇航材料工艺http：//www.yhclgy.com2013年第2期