复合材料天线罩水压疲劳寿命分析及验证

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1、万方数据技术创新垫塑丛Q：!!ScienceendTechnoIOgyInnovationHerald复合材料天线罩水压疲劳寿命分析及验证史雪辉程翔(海军驻南京九二四厂军事代表室江苏南京2¨100)摘要：根据耐压复合材料囊劳破坏特性和材料力学性能，开展了天磊罩强度分析和寿命疆潮。蛄合天线革实际使用环境奠翻羹荷谱，提出菁实施有关疲劳寿命安全校核试验验证，结果涓足设计使用要求。关键词：复合材料天线罩友劳寿命分析硷证中国分类号：TN98文献标识码：A文章编号：1674一098x(2009)04(b)一0000一OZ1序言玻璃

2、纤维增强材料(GlassFiberReil3．--forcedPlastics)，国内习惯称玻璃钢。由于其不受特定材料性能的限制，可选择不同组合，自由设计，其具有比模量和比强度大，疲劳和断裂抗力高，疲劳裂纹扩展速率慢，质轻、耐腐蚀，介电性和微波穿透性好等特点，广泛应用于各类航空、航天，舰艇、地面电子设备天线罩。耐压复合材料天线罩用于深水，不但要满足电性能及结构尺寸要求，而且要确保在较大压力下不漏水，特别是，其工作中受到水压交变载荷作用而产生的水压疲劳，直接影响产品及人身安全，必须引起我们高度重视。目前，国内外有关文献对

3、于复合材料水压疲劳研究涉及较少，试验样品数量不足，数据不充分，有关标准规范操作性不强。我们结合某型复合材料天线罩研制，进行了初步理论分析和水压疲劳验证试验。以下进行的分析和验证可供今后有关产品设计时参考。2复合材料疲劳分析复合材料材料疲劳问题的根本点在于预测材料的疲劳寿命，虽然目前具有普遍意义的损伤模型至今未建立，但从现有的损伤模型可以得出，损伤参量(刚度、强度等)都与循环数n有关。目前，复合材料疲劳寿命估算方法较多，但均存在诸多问题。我们使用s—N曲线经验法的典型估算方法对玻璃钢材料进行寿命预测。s—N曲线经验法ts

4、l是表征材料疲劳性能最经典、最有效的表1S-N曲线的数字表示I拟仑方式数宁表达线性拟合s，“=d-mlogN曲线拟合例B)“N=KS(Mea)40302010O2468圈I复合材料【±SOl3层合板预测与试验数据S-N曲线(示意图)方法，采用拟合S—N曲线(表1)可有效预测材料疲劳寿命。虽然S—N曲线对材料疲劳寿命能进行预测，但由于是在常幅应力下得到的。因此只能提供基本疲劳特性参数，对多极应力和复杂应力下的疲劳过程描述不够。采用此法，结合材料疲劳试验，得到持久极限a。=9MPa和材料S—N曲线(应力比为0．1，图2)。

5、3耐压天线罩疲劳寿命估算耐压复合材料天线罩水压疲劳寿命预测是一项复杂的系统工程。玻璃纤维复合材料自身的复杂性导致其失效形式多样性。此外，基于剩余强度、刚度和疲劳模量的衰减模型所建立的寿命预测方法仍处于探索阶段，尚无系统性可言。在工程上，复合材料天线罩疲劳设计带有校验性质，即结构尺寸按照总体布置及静强度要求确定后，对疲劳进行校核，而非通过疲劳设计来确定结构参数。当校核结果大于任务书或规范要求时，即认为该产品达到疲劳性能上的要求。结合天线罩结构特点，不考虑其它各种因素影响，选取一定安全系数的安全寿命校核方法，进行初步寿命估

6、算。首先，复合材料s—N曲线已知(图1)，根据结构形式确定压力峰值，再使用有关结构力学公式计算出热点处的工作应力，我们取水压试验实测值换算，更能反映实际应力水平。叠加实测残余应力，求出应力循环幅值o。及平均应力应力值Om诸参数，用哥德曼转换式：o。=a。／【1一o。／(1．15)oJ式中a。前系数取1．15主要是结构受力考虑，即罩体大多处于双向应力状态。根据￡。=2o／E在S—N曲线上求得断裂循环数Ncal。对载荷谱重复以上方法，最后使用曼纳准则确定，最终判断其安全性14I。由于以上方法未考虑其它因素影晌，根据产品关键

7、特性，从工程上，可取安全系数为15，按照产品每年13次循环计算，产品估算寿命为x年。由于天线罩实际使用的随机载荷谱，难以准确掌握，如我们仅考虑等幅全循环载荷谱，即每个循环压力均从零至极限压力Pe，此时不使用曼纳准则，而直接根据N=n*Ncal求出断裂循环数，n为考虑腐蚀、加载频率、安全系数等因素，取T1=O．1，得N，因N远大于任务书规定的全循环次数(产品寿命期规定为6年)，我们可以认为结构疲劳性能得以保证。4耐压复合材料天线罩疲劳试验校核目前，耐压复合材料低周疲劳理论计算和试验尚存诸多局限。理论估算往往与实际结果往往

8、差距较大。我们根据试验条件及实际使用环境，以材料试验为基础，辅以结构安全校核试验数据综合分析，开展玻璃钢天线罩疲劳寿命鉴定试验。4．1循环数和交变应力的选取由于天线罩材料选取了较高安全系圈2复合材料天线罩疲劳强度考核验证加载程序科技创新导报ScienceandTechnologyInnovationHerald9万方数据!!塑盥Q