考虑边界约束条件的C/SiC壁板热屈曲试验研究

吴振强 宫文然 程昊 贾洲侠 方国东

考虑边界约束条件的C/SiC壁板热屈曲试验研究

吴振强1宫文然1程昊1贾洲侠1方国东2

(1 北京强度环境研究所 可靠性与环境工程技术重点实验室，北京 100076；2 哈尔滨工业大学特种环境复合材料技术国防科技重点实验室，哈尔滨 150080)

当热变形受到限制或承受非均匀温度场时，复合材料壁板易发生热屈曲现象，导致出现分层或改变了结构的动力学特性，严重影响着飞行器结构的完整性。本文选取典型C/SiC壁板为试验件，设计了水冷边界工装，采用双向限制位移方法模拟试验件的边界约束状态。基于石英灯加热装置，开展了不同升温速率下的热屈曲试验，采用热像仪和数字图像相关技术等测试获取了真实的温度场和变形场。同时开展了不同温度状态下的热模态试验。依据壁板中心点离面位移变化和第1阶固有频率变化计算得到热屈曲临界温度，并作对比分析，可为热防护结构设计和力热试验验证提供技术支撑。

C/SiC壁板；热变形；热屈曲临界温度；离面位移；固有振动频率

0 引言

为满足耐高温和轻质化的设计要求，飞行器机身和机翼结构多采用耐高温合金或防热承载一体化的高温复合材料薄壁结构[1-2]。在高马赫数巡航飞行或再入过程中会经历严酷的气动力、气动热、振动、噪声等多场服役环境，当热变形受到限制或承受非均匀温度场时，蒙皮结构在热应力作用下易发生永久性的屈曲变形或局部热屈曲现象，改变了结构的动力学响应特征，复合材料壁板局部还会出现强度破坏如分层等，严重影响着飞行器结构的完整性，成为制约飞行器结构强度分析和重复使用性能评估的关键技术瓶颈[3-7]。

从20世纪90年代开始，NASA就针对钛合金、金属基复合材料的典型加筋壁板结构开展了大量热屈曲工程试验和仿真研究[8,9]。我国对壁板结构的热屈曲分析与试验技术的研究也十分关注，航空航天领域专业研究所把热屈曲试验作为结构热强度试验的重要组成部分[4,5]。此外，热屈曲分析对薄壁结构的热模态、结构动力学响应分析和动强度评估也十分重要，成为薄壁结构动力学响应分析的前提条件。文献[10]从解析法、有限元法和试验技术等方面总结了壁板结构热屈曲行为的研究进展，给出了通过试验确定热屈曲临界温度的方法。文献[11]从X-15、空天飞机研究计划的工程实际需求出发，对平板的热屈曲理论、热结构壁板的仿真和工程结构的热屈曲试验技术等进行了总结。

近年来，国内高校和研究所开展了较多的热屈曲试验研究，其中高校多集中在新型热防护结构的热屈曲行为研究，一般采用高温箱作为加热装置，试验件尺寸不大，温度场比较均匀。如文献[12]采用高温箱和固定框架对轻质金属点阵夹层板的热屈曲性能进行研究；如文献[13]采用高温箱和万能试验机对点阵加芯铝板在热载荷下的稳定性问题进行研究，分析了面板厚度及夹芯杆件的粘结程度对试验件整体屈曲和局部屈曲的影响。针对工程结构热屈曲试验的需求，国内采用石英灯阵加热方法对加筋壁板结构的热屈曲试验和试验流程进行了研究[14,15]。热屈曲试验中试验件变形的测试是进行热屈曲行为研究和热屈曲临界温度计算的关键参数，以数字图像相关为基础的热环境下变形测试技术在热屈曲试验中得到广泛应用，国内结合红外测温和数字图像相关方法，建立了温度/变形测试方法，用于瞬态加热环境下壁板结构的热屈曲行为研究[16,17]。可知，由于飞行器真实结构尺寸较大，热屈曲试验中还要求进行较多物理参数的同时测量，采用石英灯或石墨等辐射加热器进行热屈曲试验是目前工程单位的首选形式。

温度场分布和边界条件是影响热屈曲试验实施效果的关键因素，文献[18]针对金属梁结构，采用石英灯加热研究了非均匀温度场对其热屈曲行为的影响规律；文献[19]采用石英灯加热器和固定夹具对C/SiC壁板开展了温度达1000℃的热屈曲试验，不足是试验件与夹具之间采用螺栓固定连接，试验中夹具和连接螺栓温度较高，影响了试验边界条件。文献[20]采用有限元方法对C/SiC壁板的热屈曲试验进行仿真分析，对真实的试验边界进行仿真模拟。文献[21]为减小边界条件对试验结果的影响，设计了兼有加热和冷却功能的压板用于加筋板的热屈曲试验。此外，复合材料壁板通常在开展热屈曲试验后，还需要开展热振动/热噪声等试验，试验边界的连接松动或变形引起壁板结构的固有振动特性改变，将导致壁板结构动力学响应分析和动强度评估困难。

本文面向热防护结构性能评估需求，选取典型的平纹编织C/SiC复合材料壁板为试验件，设计了特定的水冷边界工装夹具，基于螺栓采用双向限制位移方法模拟试验件的边界约束状态。采用石英灯加热装置，开展了不同升温速率下的热屈曲试验，采用热像仪和数字图像相关技术，测试获取了试验件真实的温度场和变形场分布，同时开展了不同温度状态下的热模态试验。依据试验件中心点离面位移变化和第1阶固有频率的变化计算得到热屈曲临界温度，并作对比分析，可为热防护薄壁结构设计和力热试验验证提供技术支撑。

1 试验装置与试验方法

1.1 壁板结构热屈曲试验装置

壁板结构的热屈曲试验装置如图1所示[10,19]，采用石英灯组成的辐射加热器对试验件单面进行加热，选用长度50cm的1kW石英灯，可控硅电源通过反馈的热电偶测试温度信号对加热器进行控制，试验件通过设计的安装夹具固定在地面支撑支架上，试验件温度采用热电偶和红外热像仪进行测试。辐射加热环境下，试验件的固有频率采用敲击和激光测振的方法进行测量[7]。

图1 热屈曲试验装置示意图

1.2 安装边界及试验件测点

试验件采用CVI工艺的平纹编织C/SiC平板，厚度为1.5mm，尺寸为380mm×260mm，加热面积为350mm×230mm。试验件加热面采用4个K型热电偶进行测试，测点T1和T2位于试验件的中心，T3和T4位于试验件的边部，在试验件背热面采用红外热像仪进行温度场测量，如图2所示。位移计测点DM-1位于试验件受热面的中心，位移计的顶端采用石英杆，穿过石英灯加热器进行测量。采用数字图像相关（DIC）设备从背热面对试验件变形场进行测量，试验件表面制备高温散斑，为消除石英灯辐射加热器的影响，采用蓝光LED光源进行测量。试验件四周的约束方式如图3所示，采用螺栓和压板限制试验件四周的面内位移和面外位移，通水对试验夹具进行冷却。

图2 测点位置

图3 安装夹具和试验件

1.3 试验状态与试验过程

包含4个试验状态：状态(1)：以0.2℃/s升温到300℃的热屈曲试验；状态(2)：以0.5℃/s升温到500℃的热屈曲试验；状态(3)：以0.5℃/s升温到400℃的热屈曲试验；状态(4)：室温～500℃间隔稳态条件下固有频率获取试验。

具体实施过程可见图4，以0.2℃/s升温时，数字图像测试设备每隔2℃采集1次，以0.5℃/s升温时，数字图像测试设备每隔2℃采集1次，固有频率测试每间隔50℃进行一次测试，局部温度范围采取间隔10℃进行测试。

图4 试验过程图

2 试验结果与分析

2.1 温度测试结果

采用石英灯加热器以不同的升温速率对试验件进行加热，各个测点热电偶测试温度随时间的变化曲线如图5所示，以试验件一个中心测点的热电偶测量值进行反馈控制。可知当以升温速率0.2℃/s升温时，中心测点T1和T2温度相差不大，当中心控制点温度为200.0℃，T3测点温度为187.5℃，T4温度为142.5℃。以升温速率为0.5℃/s升温时，当中心控制点温度为500℃, T3测点温度为484.3℃，T4测点温度为276.6℃，可知试验件边部与中心点温度有一定温差。

图5 热电偶温度时间变化曲线

采用热像仪对加热过程中试验件的温度场进行测量，并把中心点温度与热电偶测试的温度进行对比。选取以0.5℃/s升温到500℃的测试状态进行分析，测试的50℃、100℃、200℃和500℃的温度场分布如图6所示，由于石英灯加热器的加热特点和水冷边界的影响，试验件温度场的分布呈现中心部位高，四周边界温度低的分布特点，试验件的上侧边界比下侧略高。

2.2 变形场DIC测试结果

在试验件以0.5℃/s升温到500℃的过程中，选取50℃、100℃、300℃和500℃时的离面位移场进行分析，测试结果如图7所示。可知，C/SiC复合材料壁板在加热过程中，试验件向受热面一侧进行弯曲，发生了离面的热变形，其中试验件离面位移的等高线基本呈环状分布，最大值位于试验件中心附近，也反映出热屈曲夹具设计的合理性。在加热的过程中，离面位移逐渐增大，当试验件温度达500℃时，试验件最大的离面位移约为2.24mm。

图6 试验件温度场分布

图7 离面位移场分布图

2.3 基于离面位移的热屈曲临界温度判定

文中采用接触式位移计和非接触的DIC设备分别获得了加热过程中试验件中心测点的离面位移随时间的变化曲线。其中采用接触式位移计对试验件加热面的中心位置点进行测量，试验数据如图8所示，测试结果均为正值，表明试验件中心向加热器方向突出。文献[17]对热屈曲临界温度的判定方法进行了总结，主要包含拐点法、South-well方法、应变分离法等。此处采用拐点法，求出曲线相邻两段的曲线斜率，两曲线交叉点处即为热屈曲临界温度值。采用位移计三次加热曲线下获得试验件的临界热屈曲试验温度基本相同，由此判断出的热屈曲临界温度cr约为211.6℃。

基于DIC测试的试验件中心离面位移随温度的变化如图9所示，可知当试验件中心温度最高到500℃时，测试结果显示为负值，采用拐点法计算出C/SiC平板试验件的热屈曲临界温度约为T=209.9℃。

图8 中心点离面位移随温度变化曲线

图9 中心点离面位移随温度变化曲线(DIC)

2.4 基于固有频率的热屈曲临界温度判断

针对安装后的试验件，采用同一石英灯加热器进行加热，当试验件中心温度达到指定温度后保持稳定，通过敲击法测试获取试验件的第1阶固有频率。首先从常温至500℃，每间隔50℃，开展一次热模态试验，分别获得每个稳定时间段的固有频率。随后，为了更准确获得固有频率随温度的变化规律，在热屈曲临界温度附近增加几个温度状态开展热模态试验，最后获得试验件的第1阶固有频率如表1所示。可知，常温环境下，试验件的第1阶固有频率为245.0Hz，当温度增加到500℃，试验件的固有频率为367.5Hz。

表1 壁板第1阶固有频率

图10 第1阶固有频率随温度变化

C/SiC壁板第1阶固有频率随温度的变化曲线如图10所示，在整个试验过程中，试验件不同测点的温度呈阶梯状变化，每个指定温度状态中，试验件的温度保持相对稳定，在整个加热过程中，试验件第1阶频率呈现先下降再升高的特征。此处仍采用拐点法，获得了试验件的热屈曲临界温度T=230.6℃左右。对比可知，此处采用位移计、DIC设备测试面外位移变化和基于固有频率变化计算都分别获得了试验件的热屈曲临界温度，在目前的安装状态下，可判定试验件在209℃～230℃之间发生了热屈曲现象。

3 结论

1）设计了特定的热屈曲水冷试验夹具，有效限制了试验件边部的面内位移和面外位移，近似模拟了固支边界的约束条件，避免了热屈曲或热振动/热噪声试验中试验件的滑动和热应力松弛现象，保证了C/SiC壁板热屈曲试验正常实施。

2）在加热条件下，C/SiC壁板离面位移基本呈环状分布。在300℃时，试验件的最大离面位移约0.86mm；在500℃时，试验件的最大离面位移约2.24mm。

3）在设计的热屈曲夹具下，通过石英灯加热，由于热膨胀效应试验件出现了热屈曲现象。通过采用位移计、DIC测试试验件中心点的离面位移和通过热模态试验测试获得固有频率随温度的变化曲线，对C/SiC平板的热屈曲行为进行研究，计算获得了试验件的热屈曲临界温度在209℃～230℃。

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Thermal Buckling Tests of C/SiC Plates with the Special Restricted Boundary Conditions

WU Zhen-qiang1GONG Wen-ran1CHENG Hao1JIA Zhou-xia1FANG Guo-dong2

(1 Science and Technology on Reliability and Environmental Engineering Laboratory, Beijing Institute of Structure and Environment Engineering, Beijing 100076,China; 2 National Key Laboratory of Science and Technology on Advanced Composites in Special Environments, Harbin Institute of Technology, Harbin 150080, China)

Thermal buckling of composite plate occurs easily when the thermal deformation is restricted or thermal load is not uniform.Delimitation of composite plate is also induced by the thermal buckling and the structural dynamic characteristic is also changed.It presents a significant challenge for the integrity of thermal protection structures.Here, a typical C/SiC plate is chosen, and a mounting frame is cooled by the water.The displacements along in-plane and out-of-plane directions are all restricted by this mounting frame.The testing plate is heated by a quartz lamp apparatus, and thermal buckling tests with the different heating rate are carried out.Accurate temperature field is measured by the thermal imaging system.The deformation field is gained by a digital image correlation (DIC) system.Moreover, thermal modal tests are executed within different thermal environments.The critical buckling temperatures based on out-of-plane displacement and the first natural frequency are calculated and compared.These results are very vital to structure design and thermal-mechanical tests.

C/SiC plate; Thermal deformation; Critical thermal buckling temperature; Out-of-plane displacement; Natural vibration frequency

V416.4

A

1006-3919(2021)06-0017-07

10.19447/j.cnki.11-1773/v.2021.06.003

2021-07-29；

2021-12-01

国家自然科学基金联合基金项目 (U20B2002)；重点实验室基金项目(6142905193210)；

吴振强（1979—），男，博士，研究员，研究方向：力热复合试验技术：(100076)北京9200信箱72分箱.