镁合金尾舱水压试验分析

马震宇

(郑州航空工业管理学院航空工程系，郑州450015)

【机械制造与检测技术】

镁合金尾舱水压试验分析

马震宇

(郑州航空工业管理学院航空工程系，郑州450015)

应用鱼水雷薄壁壳体结构设计方法，设计制造ZM5－T6镁合金曲线型尾舱壳体试件，进行试件耐水压性能试验;在外部水压载荷加大至1.60 MPa过程中，试件两端口连接和密封性能稳定，各测点壳体等效应力随外压均按线性关系变化，最大应力值和变形量均在设计要求范围;ZM5镁合金用作耐水压尾舱壳体轻量化结构材料，从设计上和工艺上能够保证其铸造成型质量和承压性能。

承压尾舱;铸镁合金;薄壁壳体;外水压试验;应力和变形

当前轻质镁合金材料已应用于国内外不同工程领域，并呈应用范围逐渐扩大的趋势［1－4］。推进镁合金在轻量化军工装备上的不断应用，进一步增强镁合金材料及结构的力学性能和耐腐蚀性，是高性能镁合金技术研究与应用拓展的重要方向［5－6］。

国内铸造镁合金ZM5是广泛使用的镁铝锌系镁合金，已批量用于战斗机座舱天窗框架、弹体和箭体舱体壳体、飞机和车辆轮毂等军用和民用产品［1，3］。在国内外造船和海洋工程方面，镁铝锌系铸镁合金也有所应用［7－8］。采用ZM5－ T6材料设计制造一种耐水压曲线型薄壁尾舱试件，施加不同外部水压载荷，测试其结构应力和变形性能及连接密封性，以开展镁合金在无人航行器耐压舱体结构轻量化的应用研究。

1 耐水压镁合金尾舱设计结构

镁合金ZM5材料的铸造和机加性能良好，易于铸成尺寸较大和形状较复杂的铸件，尺寸稳定性好，具有一定耐蚀性，表面处理后其抗盐雾腐蚀能力显著增强［9］，适于制造承受中等载荷、长时间工作温度不超过150℃的结构件［1，10］。

基于水下短时航行器耐水压舱体主要使用要求及铸镁合金特点，选择ZM5－T6作为一种耐水压曲线外形尾舱的结构设计制造材料，应用鱼水雷舱段薄壁壳体结构工程设计方法［11］，设计承受外压载荷的ZM5－T6镁合金尾舱全尺寸试件。

沿尾舱壳体内壁分布设置环肋和纵筋以增强结构稳定性，壳壁上设置检测孔盖安装凸台，壳体两端口设置内止口和内法兰以与试验配套件连接密封。通过结构有限元分析改进，设计获得符合工作载荷要求的尾舱结构，图1为结构分析网格划分和边界约束模型。设计的ZM5－T6曲线外形尾舱试件结构参数［12］:壳板厚度6 mm，按十字形沿内壁全长设置4条纵筋，在长300 mm圆柱段内壁上分布2道环肋，筋和肋宽度均30 mm、高10 mm。

图1 尾舱壳体有限元网格和边界约束

2 尾舱试件与测试方法

2.1 镁合金尾舱试件

采用砂型重力铸造和顺序结晶方法，获得镁合金曲线外形尾舱铸件，热处理状态T6。对铸件两端口和外圆做适量机加，获得ZM5－T6镁合金尾舱壳体试件［12］。通过化学氧化，对壳体内、外表面进行耐蚀防护处理。

试件壳体组织致密性检查符合Ⅰ类铸件标准，单铸试样化学成份和力学性能检测值符合规定要求［13－14］。用超声波测厚仪检测试件不同横截面各点处壳板壁厚，测值满足设计公差范围要求。

2.2 外水压试验方法

水压试验装置和仪器包括立式敞口外水压结构性能试验装置、结构应变实时采集处理系统、防水型应变片、内径千分尺。其中，试验配套件有连接楔环、橡胶密封圈、连接封板和外法兰、专用工装工具。在尾舱试件内壁分布设置十个特征测点，按要求粘贴好应变片。在试件壳体圆柱段中间截面，按十字形方位作为壳体内径测量位置。

应变片导线从试件大口端引出连接至应变采集处理系统。尾舱壳体外壁与试验装置内壁之间的空间注满淡水，分级加压和保压。系统自动测量和处理壳体应变、应力及等效应力。观察记录壳体壁面及楔环连接和水密性，测量记录壳体内径值。

3 外水压试验结果与分析

对ZM5－T6尾舱壳体试件，施加外部水压均布载荷逐级增加至2.0 MPa。图2是壳体筋肋和凸台附近壳壁结构等效应力试验测量结果，图3给出了远离筋肋和凸台区壳壁等效应力试验测量值与计算结果的对比。通过分析与比较，可知:

1)在外水压强加大至1.60 MPa过程中，壳体各测点结构等效应力随外压均按线性关系增大，且σmax/σ0.2＜0.70，壳板受压变形量最大0.37 mm。尾舱试件承载性能满足设计要求，壳体结构参数设计合理。

2)继续加载，尾舱结构等效应力随外压载荷按非线性关系变化，其外水压载荷承受能力不低于1.95 MPa。

3)试验过程尾舱与装置楔环连接及壳体水密性可靠稳定，表明壳体连接密封结构参数设计合理，壳体铸件内部组织质量良好。

4)有限元模拟计算结果能够为薄壁尾舱结构设计优化提供指导。

图2 尾舱壳体等效应力试验结果

图3 壳体等效应力测试值与计算值对比

4 结束语

应用鱼水雷薄壁壳体结构工程设计方法，设计并制造一种ZM5－T6耐水压薄壁曲线外形尾舱试件。在均布外水压加大至1.60 MPa过程中，试件各测点结构等效应力随外压载荷均按线性关系增大。尾舱最大应力和变形量满足设计要求，壳体楔环连接和水密性可靠稳定，结构参数设计计算合理。ZM5镁合金用作无人航行器耐水压轻量化舱体材料，从设计与工艺两方面能够保证薄壁尾舱的铸造成型质量和承压性能。

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(责任编辑周江川)

Hydraulic Pressure Experiment Analysis of a M agnesium Alloy Tail Shell

MA Zhen－yu
(Department of Aviation Engineering，Zhengzhou Institute of Aeronautical Industry Management，Zhengzhou 450015，China)

Applying thin－walled structure engineering design method for torpedo and mine，the curve tail shell specimen was designed and fabricated with thematerial ZM5－T6，carrying out specimen performance experiment in different external hydraulic loads distributed uniformly.In the process of hydraulic loads increased to 1.60 MPa，the specimen connection and seal in two ports stabilizes，equivalent stresses of specimen in allmeasuring points increase in linear relation，maximum stress and deformation of the shell complying with the design requirement.Magnesium alloy ZM5 is used as lightweightmaterial of the pressure－resistant tail shell，the casting quality and loads bearing performance can be ensured from design and technology.

pressure－resistant tail shell;foundry magnesium alloy;thin－walled shell;external hydraulic pressure experiment;stress and deformation

:A

1006－0707(2014)07－0053－03

format:MA Zhen－yu.Hydraulic Pressure Experiment Analysis of a Magnesium Alloy Tail Shell［J］.Journal of Sichuan Ordnance，2014(7):53－55.

本文引用格式:马震宇.镁合金尾舱水压试验分析［J］.四川兵工学报，2014(7):53－55.

10.11809/scbgxb2014.07.016

2014－01－27

中船集团公司预研技术项目(62201050402)。

马震宇(1964—)，男，硕士，研究员，主要从事飞航器动力与结构技术研究。

V214.4;V216.1