米字型刻痕不銹鋼膜片剩余厚度對(duì)破裂壓力的影響研究

鄭成斌 馬瑞利 許 璠

米字型刻痕不銹鋼膜片剩余厚度對(duì)破裂壓力的影響研究

鄭成斌 馬瑞利 許 璠

（西安航天發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司，西安 710000）

膜片破裂壓力是沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火器的關(guān)鍵性能參數(shù)之一，破裂壓力的可靠性直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火的成敗，其主要影響因素為膜片材料、結(jié)構(gòu)及刻痕剩余厚度。為了確定不銹鋼材料米字形刻痕膜片在額定破裂壓力范圍內(nèi)膜片的刻痕剩余厚度，通過(guò)理論分析、仿真計(jì)算和膜片爆破試驗(yàn)，研究了膜片破裂壓力與刻痕剩余厚度關(guān)系，獲得了該類型膜片在要求破裂壓力為3.0～5.0MPa時(shí)剩余厚度參考值為0.050～0.067mm。而實(shí)際生產(chǎn)中由于膜片刻痕厚度不能保證完全均勻，為保證膜片破裂壓力穩(wěn)定可靠，進(jìn)一步確定了刻痕剩余厚度范圍為0.055～0.063mm，散差不大于4μm。

米字型刻痕膜片；剩余厚度；破裂壓力

1 引言

液體沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火是其工作過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)，直接影響到液體沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能、可靠性和安全性[1，2]。膜片作為點(diǎn)火器的關(guān)鍵零件，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，膜片在一定壓力下破裂，使發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火。其穩(wěn)定可靠的破裂壓力對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)順利點(diǎn)火起至關(guān)重要的作用。目前采用的方法主要是在膜片上預(yù)刻制一定形狀的刻痕，以保證膜片的破裂壓力。影響膜片破裂壓力的因素有很多，如膜片原材料、刻痕形狀及位置、刻痕剩余厚度等。寧建華[3]對(duì)光刻技術(shù)在膜片加工中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，通過(guò)細(xì)化工藝流程，提高了破裂壓力的穩(wěn)定性。白少卿[4]基于純剪切破壞原理對(duì)C型刻痕膜片進(jìn)行了破裂壓力穩(wěn)定性研究，提出通過(guò)控制材料抗拉強(qiáng)度、刻痕剩余厚度和試驗(yàn)系統(tǒng)狀態(tài)以達(dá)到控制膜片破裂壓力的目的。鄧康清[5]等基于平板脆性斷裂模型，分析了金屬膜片裂紋深度與臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子的關(guān)系。可以看出，尚無(wú)對(duì)米字型刻痕不銹鋼膜片剩余厚度對(duì)破裂壓力的影響研究。針對(duì)某米字型刻痕不銹鋼材料膜片的剩余厚度進(jìn)行研究，通過(guò)理論分析、仿真計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法分析破裂壓力與膜片剩余厚度之間的關(guān)系，獲得額定破裂壓力下的剩余厚度加工范圍，為膜片生產(chǎn)研制提供技術(shù)支持。

2 膜片技術(shù)狀態(tài)

材料選用022Cr19Ni10，厚度0.13mm，固溶狀態(tài)的不銹鋼帶材，化學(xué)成分及力學(xué)性能見(jiàn)表1、表2。

表1 022Cr19Ni10化學(xué)成分 %

表2 022Cr19Ni10力學(xué)性能（固溶狀態(tài)）

圖1 膜片結(jié)構(gòu)

圖2 破裂試驗(yàn)示意圖

為確保膜片破裂壓力不受原材料性能波動(dòng)影響，對(duì)膜片用022Cr19Ni10原材料提出了更加嚴(yán)格的要求，要求其抗拉強(qiáng)度為580～650MPa，且不同位置抗拉強(qiáng)度散差不大于40MPa，膜片結(jié)構(gòu)如圖1所示，該膜片為米字形刻痕膜片，刻痕位置位于膜片中心，膜片大小為19.4mm，刻痕長(zhǎng)度為17mm，刻痕底部為0.75圓弧。發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火時(shí)，由火藥燃燒引起的高壓燃?xì)庥蔁o(wú)刻痕面沖破膜片，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)順利點(diǎn)火啟動(dòng)，據(jù)此進(jìn)行的膜片破裂試驗(yàn)如圖2所示，與產(chǎn)品裝配過(guò)程完全相同，膜片采用激光焊焊接在結(jié)構(gòu)與產(chǎn)品一致的爆破工裝上，并從圖示方向通入高壓氣體，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，合格膜片的破裂壓力應(yīng)為3.0～5.0MPa。

3 破裂壓力與剩余厚度分析

金屬膜片的破裂壓力與膜片的結(jié)構(gòu)尺寸有密切關(guān)系。在原材料力學(xué)性能穩(wěn)定，刻痕形狀與位置一定的條件下，主要與刻制后膜片刻痕處剩余厚度有關(guān)[5]。由于膜片在加壓破裂過(guò)程中會(huì)受壓向非加壓側(cè)鼓起變形，受力比較復(fù)雜，理論計(jì)算時(shí)以純剪切破壞原理簡(jiǎn)化計(jì)算[4]。膜片破裂時(shí)結(jié)構(gòu)最薄弱處（即刻痕位置）發(fā)生屈服并撕裂。故膜片刻痕所在17mm圓周范圍內(nèi)所受壓力等于破裂時(shí)各刻痕位置切應(yīng)力。

4 破裂壓力仿真分析

4.1 仿真模型建立

根據(jù)膜片結(jié)構(gòu)及爆破試驗(yàn)時(shí)的加壓條件在ANSYS Workbench平臺(tái)中建立相應(yīng)的瞬態(tài)分析模型，膜片背面所受壓力以1MPa/s的速度從0MPa升至5MPa，分析膜片受壓時(shí)的應(yīng)力分布情況，和膜片爆破過(guò)程中，膜片應(yīng)力的動(dòng)態(tài)變化，從而得到不同厚度膜片爆破時(shí)的壓力值。

膜片預(yù)刻制的米字型刻痕可以看成圓薄板上張開(kāi)的狹長(zhǎng)表面裂紋[6～8]，膜片受壓變形較大，經(jīng)歷從平面到鼓起成半球狀的彈塑性變形過(guò)程，所以在模擬過(guò)程中必須考慮塑性變形[9～12]，根據(jù)膜片原材料拉伸試驗(yàn)結(jié)果，仿真時(shí)材料參數(shù)中抗拉強(qiáng)度σ取600MPa，屈服強(qiáng)度0.2取240MPa，斷后伸長(zhǎng)率65%。彈性模量209GPa，泊松比0.3[13]。使用非線性求解器求解。

4.2 仿真結(jié)果分析

膜片等效應(yīng)力、等效應(yīng)變及變形分布見(jiàn)圖3～圖5，仿真計(jì)算結(jié)果表明，膜片變形最大處位于膜片靠近中心位置；膜片最大應(yīng)力位于刻痕靠近膜片中心處，這是由于刻痕處產(chǎn)生應(yīng)力集中且膜片在受壓變形過(guò)程中越靠近中心處應(yīng)變?cè)酱笏鶎?dǎo)致。為獲得膜片發(fā)生破裂時(shí)對(duì)應(yīng)的壓力值，分析計(jì)算結(jié)果：由于加壓速率為1MPa/s，故可根據(jù)膜片最大等效應(yīng)力值超過(guò)其抗拉強(qiáng)度的時(shí)刻推算當(dāng)時(shí)的破裂壓力。

圖3 等效應(yīng)力

圖4 等效應(yīng)變

圖5 變形

計(jì)算結(jié)果還表明，隨著時(shí)間變化、壓力升高，膜片最大應(yīng)力即刻痕處應(yīng)力值呈上升趨勢(shì)，上升的速率逐漸減小，最小應(yīng)力值則變化不大，如圖6所示。

圖6 應(yīng)力變化趨勢(shì)

4.3 剩余厚度與破裂壓力關(guān)系

表3 剩余厚度與破裂壓力關(guān)系

不同剩余厚度的膜片的破裂壓力見(jiàn)表3。以膜片剩余厚度為軸，破裂壓力為軸，二者關(guān)系見(jiàn)圖7。擬合膜片剩余厚度與破裂壓力之間的關(guān)系，得到膜片剩余厚度與破裂壓力之間的關(guān)系為式（3）。

=76.86（3）

其中：的單位為MPa；的單位為mm；擬合優(yōu)度2=0.96。

圖7 破裂壓力變化趨勢(shì)

根據(jù)此式可修正前文中純剪切破壞模型中的系數(shù)為0.48，并不在前文所提出的0.5～0.6范圍內(nèi)，說(shuō)明以純剪切模型中的線性關(guān)系描述破裂壓力與刻痕剩余厚度的關(guān)系是不精確的。

5 膜片破裂壓力試驗(yàn)與分析

5.1 膜片破裂試驗(yàn)

根據(jù)3.0～5.0MPa破裂壓力范圍要求，按照式（3）計(jì)算出的膜片剩余厚度范圍為0.039～0.066mm，在該范圍內(nèi)刻制膜片共26件，采用激光焊接工藝將膜片焊于爆破工裝上，焊后按QJ1842A—2011《結(jié)構(gòu)鋼、不銹鋼熔焊技術(shù)要求》中I級(jí)焊縫要求檢查并采用背壓法氦質(zhì)譜檢漏，要求等效漏率不大于1×10-7Pa·m3/s，檢查合格后的膜片在氣密試驗(yàn)臺(tái)上以1MPa/s的速率升壓進(jìn)行膜片破裂試驗(yàn)，破裂前后部分膜片形貌如圖8、圖9所示。膜片剩余厚度及破裂壓力數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

圖8 破裂前膜片

圖9 破裂后膜片

表4 膜片爆破試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖10 膜片破裂試驗(yàn)結(jié)果

以試驗(yàn)中不同膜片刻痕平均剩余厚度為軸，破裂壓力為軸繪制散點(diǎn)圖，分析刻痕剩余厚度與膜片破裂壓力之間的關(guān)系，如圖10所示。

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以線性函數(shù)擬合膜片破裂壓力與剩余厚度的關(guān)系為：= 65.837，擬合優(yōu)度2為0.75，再次印證了實(shí)際膜片的破裂壓力與剩余厚度的關(guān)系無(wú)法以純剪切破壞理論中的線性函數(shù)精確描述，可能是由于在實(shí)際膜片刻制后刻痕處殘余應(yīng)力、破裂過(guò)程中實(shí)際為剪切拉伸綜合作用、以及刻后膜片有輕微變形等因素綜合作用而導(dǎo)致的，故改用二次多項(xiàng)式對(duì)破裂壓力與剩余壁厚關(guān)系進(jìn)行擬合，得到二者關(guān)系為：

=805.332+19.484（4）

其中：的單位為MPa；的單位為mm；擬合優(yōu)度2=0.9，說(shuō)明以該關(guān)系描述膜片破裂壓力與刻痕處剩余厚度之間的關(guān)系是較準(zhǔn)確的。

5.2 差異原因分析

根據(jù)破裂壓力3.0～5.0MPa的要求范圍，可篩選出的膜片剩余厚度為0.050～0.067mm。理論計(jì)算、仿真及試驗(yàn)結(jié)果存在差異的主要原因?yàn)橐韵氯矫妫?/p>

a. 理論計(jì)算采用簡(jiǎn)化的純剪切模型，僅考慮了膜片變形過(guò)程中切應(yīng)力，而未考慮拉應(yīng)力的影響，無(wú)法對(duì)膜片加壓至破裂過(guò)程的受力過(guò)程及狀態(tài)進(jìn)行精準(zhǔn)的分析。由于未考慮拉應(yīng)力的影響，故理論計(jì)算所得膜片參考剩余厚度最低。

b. 仿真計(jì)算雖考慮了膜片加壓過(guò)程的彈塑性變形以及拉應(yīng)力、切應(yīng)力的綜合影響，但仿真模型中膜片刻痕剩余厚度為理想的均勻等厚狀態(tài)，且未考慮實(shí)際加工時(shí)膜片的變形、殘余應(yīng)力及刻痕剩余厚度的不均勻造成的影響。計(jì)算所得結(jié)果較實(shí)際加工后通過(guò)破裂壓力試驗(yàn)獲得的膜片參考剩余厚度低。

c. 實(shí)際膜片刻制時(shí)采用高速銑工藝，銑削過(guò)程中存在一定的殘余應(yīng)力，且刻痕剩余厚度存在散差，并非完全均勻一致。此外，由于膜片刻痕處剩余厚度采用數(shù)顯千分表測(cè)量，在測(cè)量過(guò)程中存在1～2μm的測(cè)量誤差。故與理論分析和仿真計(jì)算結(jié)果對(duì)比，在同樣的破裂壓力要求下，所需的剩余厚度值最高。

分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)還發(fā)現(xiàn)，對(duì)于剩余厚度相同的膜片，在刻痕剩余厚度散差不同時(shí)，其破裂壓力的極差為0.5MPa。在膜片生產(chǎn)研制過(guò)程中，為了保證其破裂壓力稍遠(yuǎn)離邊界值以減少因上述原因而產(chǎn)生的不合格品數(shù)量，保證產(chǎn)品破裂壓力穩(wěn)定可靠，在刻制時(shí)根據(jù)破裂壓力為3.5～4.5MPa適當(dāng)減小選用的剩余厚度范圍為0.055～0.063mm。

綜上，在膜片生產(chǎn)研制時(shí)，在保證剩余厚度在0.055～0.063mm范圍內(nèi)，同時(shí)保證膜片刻痕處剩余厚度散差不大于4μm，可滿足膜片破裂壓力在3.0～5.0MPa范圍內(nèi)的要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)理論計(jì)算、仿真分析與試驗(yàn)相結(jié)合的方法，主要分析了米字型刻痕膜片剩余厚度對(duì)破裂壓力的影響，認(rèn)為試驗(yàn)結(jié)果與理論分析、仿真計(jì)算結(jié)果差異的原因是實(shí)際破裂過(guò)程為拉伸剪切綜合作用，以及殘余應(yīng)力、刻痕剩余厚度散差和人工測(cè)量誤差共同影響的結(jié)果。采用二次多項(xiàng)式擬合得到了膜片破裂壓力與刻痕處剩余厚度的關(guān)系為：=805.332+19.484。最后，根據(jù)膜片使用條件下的破裂壓力確定了刻痕剩余厚度的區(qū)間范圍為0.055～0.063mm，刻痕剩余厚度散差應(yīng)不大于4μm時(shí)，可有效保證膜片破裂壓力滿足3.0～5.0MPa的要求。

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Study on the Influence of Residual Thickness of Stainless Steel Diaphragm with ‘UK-flag Shape’ Notched on Rupture Pressure

Zheng ChengbinMa RuiliXu Fan

(Xi’an Aerospace Engine Company Limited, Xi’an 710100)

Diaphragm rupture pressure is one of the key performance parameters of ramjet igniter. The reliability of rupture pressure directly affects the success of engine ignition, and its main influencing factors are material, structure and residual thickness of notch. In order to determine the residual thickness of stainless steel ‘UK-flag shape’ notched diaphragm in the range of rated rupture pressure, theoretical calculation, simulation analysis, and diaphragm burst test to study the relationship between diaphragm rupture pressure and residual thickness. The reference residual thickness are used (0.050～0.067mm) of the diaphragm in the required rupture pressure range (3.0～5.0MPa) is obtained. However, in the actual production, the residual thickness of the diaphragm notch cannot be completely uniform. In order to ensure the stability and reliability of the diaphragm rupture pressure, the residual thickness range of the notch is finally determined as 0.055～0.063mm, and the dispersion is less than 4μm.

‘UK-flag Shape’ notched diaphragm；residual thickness；rupture pressure

TH162+.2

A

鄭成斌（1992），工程師，航空宇航科學(xué)與技術(shù)專業(yè)；研究方向：液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)制造技術(shù)。

2021-07-30