碳纤维缠绕壳体后封头补强
郭峰张炜
王晓洁
程勇
（西安航天复合材料研究所，西安710025）
文摘对某种结构壳体进行有限元分析，得到一种“大范围判定方法”，利用此方法得到的分析结采和壳体水压试验结果具有较高吻合度，可进行壳体补强及应力平衡系数研究，并可指导以后壳体理论分析。
关键词复合材料壳体，容器，有限元
ReinforcementofCarbonFilament-WoundShellAftDome
GuoFeng
Zhang Wei
WangXiaojie
ChengYong
(Xi'an Aerospace Composites Research Institute, Xi'an 710025)
AbstractBy caring out a finite element analysis for a shell structure,a kind of "wide range decision method" was obtained. The analysis result by use of this method was in good accordance with the result of hydraulic pressure test for the shell, So, this method can be used for investigation of shell reinforcement and stress balance factor and guide the shell theory analysis in the future.
Key wordsComposite shell, Vessel, Finite element
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引言
固体火箭发动机工作时，其壳体的受力状况比较复杂。可将其看作是中、低压容器，其H/R(壁厚/半径)与液体火箭的低压贮箱相比要大得多。一般环境情况下，载荷对壳体引起的刚度间题并非主要的，主要矛盾是内压强引起的强度间题(1-2)
目前，随着固体发动机性能要求的逐步提升，先进固体火箭发动机复合材料壳体基本上是由碳纤维/ 环氧树脂复合材料缠绕成型。在其发动机壳体水压爆破试验中发现破坏形式主要为封头区域纵向纤维断裂，尤其在简段和封头过渡区及金属连接件区域破坏严重，壳体水压爆破压强不能达到理想值。壳体封头处纤维断新裂严重，为强度薄弱区，现在多采取补强方法弥补封头强度不足。
本文应用ANSYS有限元分析软件，完成了对某
固体火箭发动机壳体的实体建模、网格划分、加载及求解，并将计算和实验结果进行了对比，提出一种线性有限元“大范围判定方法”。前后金属连接件选用钛合金，弹性模量为109GPa，泊松比为0.3。纤维增强材料选用T700碳纤维，树脂选用环氧树脂。主要
性能参数如表1所示。 1壳体计算模型建立
壳体结构示意图如图1所示。前后两极孔直径之比为0.72，后极孔和筒身直径之比为0.5。
收稿日期：2010-09-20
前金属接头
复合材料层
后金属接头
图1壳体结构示意图
Fig.1Schematic of shell structure
表1
Tab.1
纵向拉伸
T700单向板主要性能参数
Main performance parameters of T700 slab
横向挖伸
强度/MPa
强度/MPa
1830
37.7
纵向拉伸模量/GPa 133
横向拉伸模量/GPa 10.4
：壳体实体建模及网格划分 2.1壳体实体建模(3]
纵横剪切模量/GPa 4.14
泊松比 0.29
由于壳体内绝热弹性层为橡胶材料且为非承载件[4]，故壳体建模过程中不考虑内绝热层。
壳体实体建模在下列基础上进行：
（1)壳体结构中包含复合材料组合壳体结构、金属接头及弹性层；
(2)采用连续的曲线描述旋转壳体的母线，从而保证了在儿何模型的建立中，能够采用与实际旋转壳
作者简介：郭峰，1978年出生，硕士，工程师，主要从事纤维复合材料的继绕研究工作。E-mail：guofeng78163@163.com
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万方数据
http://www.yhclgy.com宇航材料工艺2011年第3期