通孔钛合金蜂窝板高温力学性能及平压理论研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:w__hailin
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在航空航天应用中,蜂窝板可以在蜂壁上穿孔,以平衡蜂窝板内部压力和外部气体压力,并提供热流通道。本文仅对L向蜂壁开孔,以减少开孔数量并便于加工,研究蜂窝芯开孔对蜂窝板力学性能的影响。采用高温钎焊的方法制备了通孔TC4钛合金蜂窝板。采用扫描电镜和能谱仪分析了钎焊接头的钎焊质量和元素分布。相比于面板与钎料之间的相互作用,蜂窝芯与钎料之间的扩散和反应更强。通过平压和三点弯曲试验,研究了通孔蜂窝板和闭孔蜂窝板在20℃、160℃、300℃和440℃下的平压和弯曲性能。随着温度的升高,蜂窝板的平压性能和弯曲性能均下降。通孔蜂窝板与闭孔蜂窝板平压性能相似,蜂壁开孔较小时对蜂窝板的平压性能没有负面影响。在相同温度下,蜂窝板L向的抗弯强度大于W向。通过扫描电镜观察试件三点弯曲断口形貌表明,面板、芯子和钎焊区分别为韧性断裂、准解理断裂和解理断裂。钎焊后的蜂壁与原始性能相比,压缩强度仅下降0.7%,而压缩模量下降了5.32倍。热暴露后的通孔蜂窝板平压性能优于闭孔蜂窝板。闭孔蜂窝板由于真空负压作用,在高温下产生了更为明显的塑性变形,从而在平压试验中更容易失稳,性能下降更为明显。试件热暴露后退化的力学性能不能恢复。试件在400℃、500℃和600℃高温环境下热暴露后,平压性能小幅下降,破坏模式均为蜂窝芯塑性屈曲。试件经700℃高温热暴露后,平压性能退化明显,闭孔蜂窝板热暴露达到6小时后失效模式变为蜂窝芯相邻蜂壁开裂,通孔蜂窝板热暴露9小时后失效模式变为蜂窝芯蜂壁断裂。在800℃高温热暴露3小时后,试件直接破坏。蜂窝芯开孔并未对试件热冲击后的平压性能产生影响。随着热冲击次数的增加,平压性能不断下降。与原始的试样相比,热冲击前10次对结构性能的影响高于后面20次热冲击的影响。通过平压试验研究了蜂壁开孔尺寸、开孔位置、开孔数量对蜂窝板平压性能的影响。孔径较小时没有造成结构平压性能下降,随着穿孔直径的增大,对结构平压性能影响加速增大;在L向蜂壁中心开孔的平压性能最好,越靠近上下面板开孔,结构的平压性能越差,在顶端开孔的试件强度小于在底端开孔的试件强度;在L向蜂壁开多个孔,结构平压性能受开孔位置影响最大,同时开孔数量越多对其稳定性影响越大。通过有限元分析发现,通孔蜂窝板的平压强度,随蜂窝芯蜂壁厚度的增加成生线性增加;随着芯子高度的增加,通孔蜂窝板的平压强度逐渐趋于稳定;通孔蜂窝板开不同形状孔后的平压强度,圆形孔略好于开方型孔,明显优于开三角孔。W向开孔的通孔蜂窝板平压强度明显高于L向开孔的通孔蜂窝板。开孔的蜂壁会对相邻的蜂壁产生影响,开孔距离越远,平压性能和剪切性能越好。给出了通孔蜂窝板密度公式和屈曲解析表达式。分别给出了L向蜂壁开孔、W向蜂壁开孔和不同角度通孔蜂窝板的弹性、塑性屈曲解析表达式。对比了塑性屈曲理论值与试验值,并进行了误差分析。根据渐进均匀化有限元方法,编写预测通孔蜂窝板宏观等效性能的计算程序。对比计算值和试验值,当孔径未超过2mm(孔径蜂壁宽比未超0.62)时,计算值与试验值十分相近。对不同蜂窝芯几何参数的通孔蜂窝板的平压模量进行等效计算,通孔蜂窝板的随着蜂壁厚度的增加,等效平压模量成线性增加;随着蜂窝芯高度增加,通孔蜂窝板平压模量逐渐增加,但增长速度逐渐变小;蜂壁夹角由15°增加大60°,平压模量不断减速下降并达到最小值,随着蜂壁夹角继续增加到90°,平压模量逐渐增加。
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