轻质高刚度钛内衬复合材料受油管结构优化

作     者：罗锐祺 

作者单位：航天动力技术研究院 

学位级别：硕士

导师姓名：刘勇琼

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 082502[工学-航空宇航推进理论与工程] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

主      题：受油管 复合材料 优化设计 仿真模拟 ANSYS 

摘      要：空中加油技术能够增加飞机作战半径、提升空中作战单位的威慑力,是当前世界各国竞相发展的军事技术。受油管作为软管式加油的主要受油设备,其结构强度和使用性能直接影响到受油过程的成功与否。在服役过程中,发现某型号-1受油管存在结构上的缺陷,表现为复合材料铺层纤维断裂、树脂基体开裂以及铺层界面脱粘。现对一新型受油管某型号-2进行研发,为避免其出现某型号-1受油管的结构缺陷,针对其结构进行优化设计,使其满足受油管设计要求,性能达到最优。针对某型号-2受油管的结构优化设计主要从两方面进行,一方面是对复合材料铺层参数的优化,另一方面是提升受油管金属内衬界面粘接强度。依据某型号-2复合材料受油管技术指标和设计要求,并结合相关国家标准,拟定了某型号-2受油管结构优化设计满足的基本条件。通过标准力学测试试验确定了受油管相关制作材料的基本力学参数。通过参考相关文献,确定了相关材料的应变许用值,为仿真优化试验提供了数据基础。采用单因素对比试验的方式,利用ANSYS仿真软件对复合材料铺层参数逐一进行优化,包括复合材料铺层的比例、厚度和材料选择。通过分析比较不同参数组合下受油管各处不同种类应力大小的变化,确定了某型号-2受油管复合材料最优铺层顺序为[0/0/0/90],铺层厚度为0.16 mm,铺层材料为M40JB碳纤维增强复合材料。在此铺层参数下,受油管铺层结构不发生失效情况,材料应力水平满足安全系数要求,质量结构良好。解决了受油管金属内衬和复合材料铺层之间界面容易脱粘的问题。采用不同处理方式提升金属表面粗糙度,结合第一层碳纤维编织布的两种制作方式,设计相应的对比试验。通过对比结果最终确定了金属表面采用喷砂处理、碳纤维编织布采用干法缠绕的方式制作,这两种工艺结合,提升了金属内衬和第一层碳纤维铺层布之间的界面粘接强度,优化后的界面粘接强度从10 MPa左右提升至29.6 MPa。选择在受油管大端开沟槽的方式来减小受油管金属内衬表面与第一层碳纤维编织布之间的界面应力,开设了不同深度与数量的环形沟槽形成对比试验,仿真结果显示沟槽数量为2、深度为1 mm时界面应力减小至15.37 MPa,满足受油管界面应力设计及工艺要求,界面不发生脱粘。最后根据优化结果制定了受油管实际生产工艺路线,在受油管产品制作完成之后对受油管进行静力试验,分析和讨论了受油管在各种工况下发生的位移和各处应变值,并通过超声检测的方式确定受油管各界面之间粘接情况。试验结果显示优化之后的受油管符合受油管设计标准,产品质量优良且结构稳固,无界面脱粘现象。表明此次受油管的优化结果对提升受油管产品整体性能有良好效果,证明受油管优化模型的正确性及优化结果的可靠性。