某发射筒端盖开盖性能异常原因

蔡 泽, 武丽丽, 柯贤朝

(1.上海航天精密机械研究所, 上海 201600；2.上海材料研究所 上海市工程材料应用与评价重点实验室, 上海 200437)

某发射筒端盖由模塑料和金属增强材料压制而成，其内表面有6条沟槽，正常情况下,在进行开盖性能测试时,端盖会沿沟槽破裂为6块(见图1)。端盖中金属增强材料的作用是使试验后的碎块不脱落。

图1 端盖正常开盖宏观形貌

采用静态开盖试验方法(缓慢加压直至端盖被破坏)对端盖进行开盖性能测试时，仅有4块碎块翻转，另外2块碎块连在一起，未沿应力沟槽扩展，表面有裂纹但未裂开，且连在一起的碎块未翻转，开盖形态异常(见图2)。

图2 端盖异常开盖宏观形貌

对端盖进行检查，在未翻转碎块上的裂纹处可隐约看到金属增强材料，初步推断金属增强材料发生了偏移。物理破坏方法是通过将端盖中的金属增强材料暴露出来，来验证金属增强材料是否偏移的。由于模塑料和金属增强材料之间结合力较好，采用该方法会不准确，因此笔者采用无损检测方法来确定端盖中金属增强材料的偏移状态。复合材料无损检测的方法有超声检测、X射线检测、红外热成像检测等[1]。X射线检测技术具有不受被检测复合材料种类的影响，检测结果直观、可靠[2], 被广泛应用于复合材料的检测中[3-5]。笔者采用X射线检测方法对端盖进行无损检测。

1 X射线检测

对开盖形态异常的端盖进行X射线检测。根据X射线胶片的清晰程度，确定检测条件为：单壁单影，焦距为1 200 mm，电压为80 kV，电流为5 mA，曝光时间为3 min，显影时在20 ℃下处理5 min，胶片冲洗时间为30 min。开盖形态异常端盖的X射线检测结果如图3所示，由图3可知：连在一起的碎块中的1块的金属增强材料发生了偏移，由此推断开盖形态异常与金属增强材料偏移至沟槽有关。

图3 开盖形态异常端盖的X射线检测结果

2 仿真分析

为分析金属增强材料偏移至沟槽对开盖形态的影响，对端盖进行了仿真分析。正常端盖模型如图4所示。

图4 正常端盖模型

金属增强材料偏移至沟槽的极限情况为2片金属增强材料连接为一个整体，为了简化计算，采用极限情况进行仿真分析，金属增强材料偏移至沟槽的端盖仿真模型如图5所示。

图5 金属增强材料偏移至沟槽的端盖仿真模型

根据端盖进行开盖性能测试时的实际工况，对盖环施加全约束，在盖体内表面施加均布载荷0.1 MPa(载荷方向指向外表面为正)。图6为正常状态下开盖性能测试时最大应力区域分布，图7为金属增强材料偏移至沟槽后开盖性能测试时最大应力区域分布。由图6，7可知：正常状态下，6条应力沟槽的应力分布基本相同，在开盖时同步打开；金属材料偏移至沟槽，2片金属叶片连在一起时应力分布发生变化，金属材料发生偏移的沟槽应力明显变小，6条应力沟槽不再同步打开，开盖性能测试时开盖形态会发生变化。采用静态开盖试验方法时，一旦盖体破裂会导致泄压，其中应力较小的沟槽可能不开裂，发生偏移的沟槽因无法开裂而连在一起，同时泄压导致碎块翻转动力下降，极限情况会出现碎块不翻转。

图6 正常状态下开盖性能测试时最大应力区域分布

图7 金属增强材料偏移至沟槽后开盖性能测试时最大应力区域分布

3 试验模拟

采用飞行试验方法对端盖进行开盖性能测试时，发现金属增强材料发生偏移的端盖仍会正常开盖。对采用飞行试验方法测试的端盖进行X射线检测，发现端盖中的金属增强材料偏移至沟槽，但开盖形态正常(见图8)。

图8 飞行试验方法测试端盖的X射线检测结果

同样是金属增强材料发生偏移，采用静态开盖试验方法时出现了开盖形态异常，而采用飞行试验方法时开盖形态正常，飞行试验方法中端盖会瞬间开盖，两种试验方法明显不同，由此推断试验方法也是导致端盖开盖形态异常的原因之一。

为验证试验方法对开盖形态的影响，需模拟发射试验环境，而动态开盖是一种可以模拟发射试验环境的试验方法，该方法可瞬间释放大量气体，在很短时间内对端盖产生压力使端盖被破坏，动态开盖试验方法如图9所示。对金属增强材料偏移至沟槽的端盖进行动态开盖性能试验，试验结果如图10所示，端盖的X射线检测结果如图11所示，由图10，11可知：采用动态开盖试验方法时，金属增强材料跨过应力沟槽不影响开盖形态，端盖依然破裂为6块。试验模拟结果表明，开盖试验方法选择不当是开盖形态异常的原因之一，动态开盖试验方法更接近端盖的实际使用工况。

图9 动态开盖试验方法示意

图10 金属增强材料偏移至沟槽端盖的动态开盖试验结果

图11 动态开盖试验方法测试端盖的X射线检测结果

4 结论与建议

X射线检测和仿真分析结果表明：金属增强材料偏移至沟槽会导致端盖开盖形态异常。对比金属增强材料偏移至沟槽的端盖，在静态开盖试验方法和动态开盖试验方法时的开盖形态，发现静态开盖试验方法会导致开盖形态异常，动态开盖试验方法的开盖形态正常，表明试验方法选择不当会导致开盖形态异常，应选用动态开盖试验方法。综上分析，金属增强材料偏移至沟槽和开盖试验方法选择不当是端盖开盖形态异常的原因。

为避免开盖形态异常，在后续端盖的生产过程中用X射线检测端盖中金属增强材料的状态，将金属增强材料偏移至应力沟槽的端盖去除，同时采用动态开盖方式进行开盖性能测试。