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可重复使用运载器连接结构损伤容限分析

李配缘 蔡巧言 黎增山 冯家赫

李配缘,蔡巧言,黎增山,等. 可重复使用运载器连接结构损伤容限分析[J]. 北京航空航天大学学报,2026,52(6):1990-1999
引用本文: 李配缘,蔡巧言,黎增山,等. 可重复使用运载器连接结构损伤容限分析[J]. 北京航空航天大学学报,2026,52(6):1990-1999
LI P Y,CAI Q Y,LI Z S,et al. Damage tolerance analysis on reusable launch vehicle connection structures[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2026,52(6):1990-1999 (in Chinese)
Citation: LI P Y,CAI Q Y,LI Z S,et al. Damage tolerance analysis on reusable launch vehicle connection structures[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2026,52(6):1990-1999 (in Chinese)

可重复使用运载器连接结构损伤容限分析

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2024.0221
基金项目: 

中国运载火箭技术研究院自主研发重点项目资金支持

详细信息
    通讯作者:

    E-mail:aseexplorer@163.com

  • 中图分类号: V415.5;TB333

Damage tolerance analysis on reusable launch vehicle connection structures

Funds: 

Financial Support for Key Independent Research and Development Projects of China Academy of Launch Vehicle Technology

More Information
  • 摘要:

    针对可重复使用运载器冷结构中应用的复合材料蒙皮-金属骨架结构,开展了含初始损伤的金属-复材连接结构的损伤容限试验,并建立对应结构的损伤容限性能预测模型。研究结果表明:含孔边裂纹的金属结构在疲劳载荷作用下会发生裂纹扩展,而且由于连接不对称的影响,上下表面的裂纹扩展速率不一致,致使从外表面进行裂纹观测会造成对损伤尺寸的保守统计;含预置分层的复合材料层合板在挤压载荷作用下出现一定的分层扩展,其主要损伤还是由于复材的挤压疲劳破坏;复材孔边分层会急剧降低金属-复材连接结构的寿命;金属-复材连接结构的损伤容限设计应该重点关注复材孔边分层损伤;建立的金属-复材结构损伤容限性能预测模型预测结果与试验结果吻合良好,能很好的预测结构的损伤扩展过程和扩展寿命,可用于指导该类结构的损伤容限设计。

     

  • 图 1  双钉横向连接试验件及主要尺寸

    Figure 1.  Double-nail transverse connection test piece and main dimensions

    图 2  接头结构剖面

    Figure 2.  Cross-section of joint structure

    图 3  预置分层范围示意图(阴影部分为预置分层区域)

    Figure 3.  Schematic diagram of preset delamination damage (rangewith shaded areas indicating preset stratification regions)

    图 4  孔边裂纹示意图

    Figure 4.  Schematic diagram of metal plate with preset cracks

    图 5  试验件静强度拉伸失效照片

    Figure 5.  Static strength tensile failure of test piece

    图 6  含孔边分层试验件疲劳破坏照片

    Figure 6.  Fatigue failure of test pieces containing delamination at the edge of the hole

    图 7  双钉横向连接试验件超声C扫描图像

    Figure 7.  Ultrasonic C-scan image of double-nail transverse connection test piece

    图 8  试验测量数据点

    Figure 8.  Test measurement data points

    图 9  连接孔边金属裂纹的扩展

    Figure 9.  Propagation at the edge of metal cracks

    图 10  有限元分析模型

    Figure 10.  Finite element analysis model

    图 11  金属裂纹起始扩展次数NG拟合结果

    Figure 11.  Fitting results of crack initial expansion times N and ΔG

    图 12  金属裂纹da/dNG数据点及拟合结果

    Figure 12.  da/dNG data points and results of crack

    图 13  试验及仿真结果

    Figure 13.  Test and simulation results

    图 14  复材疲劳寿命分析有限元模型与界面单元

    Figure 14.  Finite element model and interface element for composite fatigue life analysis

    图 15  有限元分析流程

    Figure 15.  Finite element analysis flow

    图 16  损伤扩展仿真结果

    Figure 16.  Damage propagation simulation results

    图 17  层间损伤的仿真结果

    Figure 17.  Simulation results of interlayer damage

    图 18  应力时域信号

    Figure 18.  Stress time domain signal

    图 19  预置裂纹在2种载荷下扩展情况

    Figure 19.  Preset crack propagation under two loads

    图 20  复合材料层板2种载荷循环作用下的损伤

    Figure 20.  Damage of laminates under two load cycles

    表  1  TG800-6K-xw/603A复合材料力学性能

    Table  1.   Mechanical properties of TG800-6K-xw/603A composite materials

    E11 /GPaE22 /GPaν12XT /MPaXC /MPaYT /MPaYC /MPaS12 /MPa
    8783.70.081158720104670781.4
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    表  2  静强度试验结果

    Table  2.   Static strength test results

    第1件破坏
    载荷/kN
    第2件破坏
    载荷/kN
    第3件破坏
    载荷/kN
    平均值/kN 离散
    系数/%
    15.09 14.92 14.84 14.95 0.70
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    表  3  含孔边预置分层试验件加载

    Table  3.   Loading of test pieces with preset composite partial delamination

    组别 载荷水平 峰值载荷/kN 应力比 频率/Hz 试件数量
    第1组 45%$ {\sigma }_{\text{b}} $ 6.7 0.1 6 5
    第2组 50%$ {\sigma }_{\text{b}} $ 7.5 0.1 6 5
    第3组 55%$ {\sigma }_{\text{b}} $ 8.2 0.1 6 5
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    表  4  含孔边预置分层复材件剩余寿命试验结果

    Table  4.   Test results of test pieces with preset delamination in composite materials

    组别 N1 N2 N3 N4 N5 N6 试验寿命
    平均值
    对数寿命
    离散系数/
    %
    第1组 175333 88750 220792 24718 265513 50125 137539 7.37
    第2组 34698 1013 19218 16175 5046 27417 17261 13.10
    第3组 2154 4126 2702 15263 12079 4678 6834 8.45
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    表  5  含预置裂纹金属疲劳裂纹扩展试验加载方案

    Table  5.   Loading scheme for fatigue crack growth test of metal with preset cracks

    组别 载荷水平 峰值
    载荷/kN
    裂纹截面
    应力/MPa
    应力比 频率/Hz 有效数量
    第1组 75%$ {\sigma }_{\text{b}} $ 11.2 79.43 0.1 5 5
    第2组 80%$ {\sigma }_{\text{b}} $ 12.0 85.11 0.1 5 5
    第3组 83%$ {\sigma }_{\text{b}} $ 12.4 87.94 0.1 5 5
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    表  6  含预置裂纹金属件剩余寿命试验结果

    Table  6.   Test result of remaining life of metal parts with pre-cracks

    组别 N1 N2 N3 N4 N5 试验寿命
    平均值
    对数寿命
    离散系数/%
    第1组 37356 77089 78330 39236 76578 61718 3.14
    第2组 18821 18209 57063 44236 58264 53188 1.15
    第3组 11655 14859 23655 24372 30201 23272 2.58
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    表  7  材料断裂表征参数

    Table  7.   Material fracture performance parameters

    $ {c}_{1} $ $ {c}_{2} $ $ {c}_{3} $ $ {c}_{4} $ $ {G}_{\text{C}} $/($ \text{N}\cdot {\text{mm}}^{{-1}} $) $ \dfrac{{G}_{\text{thresh}}}{{G}_{\text{C}}} $ $ \dfrac{{G}_{\text{pl}}}{{G}_{\text{C}}} $
    2.7×108 −5 1.1×10−7 4.25 9 0.01 0.85
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    表  8  仿真结果对比

    Table  8.   Comparison of simulation results

    组别 试验寿命
    平均值
    有限元
    计算值
    仿真与试验的
    相对误差/%
    第1组 61718 69135 12.0
    第2组 53188 45334 −14.8
    第3组 23272 28066 20.6
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    表  9  层内损伤退化准则

    Table  9.   Intralayer damage degradation criterion

    失效模式材料退化准则
    经向拉伸/剪切失效$ {E}_{11} $,$ {G}_{12} $,$ {G}_{13} $退化到初始值的0.01
    经向压缩失效$ {E}_{11} $,$ {G}_{12} $,$ {G}_{13} $退化到初始值的0.01
    纬向拉伸/剪切失效$ {E}_{22} $,$ {G}_{13} $,$ {G}_{23} $退化到初始值的0.01
    纬向压缩失效$ {E}_{22} $,$ {G}_{13} $,$ {G}_{23} $退化到初始值的0.01
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    表  10  层间界面单元属性

    Table  10.   Interlayer interface element properties

    Tn/MPa Ts/MPa Tt/MPa GⅠC/
    (N·mm−1
    GⅡC/
    (N·mm−1
    GⅢC/
    (N·mm−1
    81 81 60 0.2 1.0 1.0
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    表  11  仿真结果对比

    Table  11.   Comparison of simulation results

    组别 试验寿命
    平均值
    有限元计算值 仿真与试验的
    相对误差/%
    第1组 137539 131825 −4.15
    第2组 17261 17378 0.70
    第3组 6834 6309 −7.68
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-04-16
  • 录用日期:  2024-06-21
  • 网络出版日期:  2024-06-27
  • 整期出版日期:  2026-06-30

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