德國寶德BURKERT膜片用途:
分類廣泛:如夾布型膜片、純橡膠型膜片、金屬/橡膠復合型膜片、金屬/橡膠/塑料三者復合型膜片等等;
電聲行業(yè)膜片而言:它的主要作用就是將電流轉化為聲音信號,如我們常見的“揚聲器”等;
過濾隔離行業(yè)膜片而言:它實際是由很多微小的納米微孔組成,起到分離相關介質的作用,如空氣凈化、水處理凈化等行業(yè);
光學行業(yè)膜片:它起到光學折射、光學處理等作用;如常見的“太陽能電池板”、“太陽鏡膜”、”汽車防爆膜“等等。
德國寶德BURKERT膜片實驗與設計:
飛行優(yōu)化控制和推進劑能量*優(yōu)管理需要,發(fā)展了一種采用隔層式 ( 軟隔離) 或隔艙式 ( 硬隔離) 隔離裝置進行固體發(fā)動機燃燒室分隔的技術,可實現(xiàn)固體火箭發(fā)動機的多次關機、啟動。在現(xiàn)有兩種形式隔離裝置中,隔艙式具有結構簡單、下一級脈沖裝藥形式限制小、打開壓強統(tǒng)一性高等一系列優(yōu)點,已逐漸發(fā)展形成噴射棒、非金屬易碎、金屬膜片等形式隔離裝置的雙脈沖發(fā)動機。
金屬膜片式隔艙脈沖發(fā)動機常選用金屬或非金屬支撐件、一側經絕熱處理的金屬膜片組合進行燃燒室分隔,經驗證,該方案采用隔熱層、沉淀硬化不銹鋼隔板本體、絕熱層和金屬膜片結構可以實現(xiàn)燃燒室分隔,但仍存在質量大、絕熱特性差等缺點。提出了8通氣孔金屬隔板設計,提高了絕熱和抗燒蝕性能,但結構型面仍有不足。
輪輻式支撐件可減小隔艙重量,并且可與密封膜片緊密貼實,因此被廣泛應用于各類脈沖發(fā)動機。此外,在膜片上還能實施刻痕、絕熱處理、材料改進等措施,可進一步改善打開壓強、材料敏感性等特性。
金屬膜片設計
采用金屬膜片和輪輻式支撐構成隔艙結構完成雙脈沖發(fā)動機燃燒室級間隔離。其工作原理為: I 脈沖點火工作時,在金屬膜片分隔作用下兩脈沖燃燒室保持獨立; 當 II 脈沖工作內壓達到打開壓強后,膜片按預先設計形式破裂,兩級燃燒室貫通,燃氣依次通過隔艙結構、I 脈沖燃燒室和尾噴管后排出,產生第二次推力。
為實現(xiàn)以上工作過程,金屬膜片在隔艙結構設計過程中占重要地位。根據(jù)液體發(fā)動機閥門破裂膜片研究方法,確定采用強度高、易變形的LY12鋁合金材料、薄板形式金屬膜片。另外,為可靠、方便地控制打開壓強、隔艙消融形狀,還需在其一側進行預先刻痕處理。
應力強度因子公式推導
在不影響結論正確性基礎上,做以下假設以便合理確定預制缺陷結構參數(shù),完成膜片設計:
( 1) 選取垂直于缺陷槽的任一截面作為研究對象,將該截面簡化為二維板條結構。
( 2) 膜片實際破壞過程為瞬間動態(tài)過程,材料還未發(fā)生塑性屈服,近似認為膜片的動態(tài)破壞過程為線彈性斷裂問題。
( 3) 圓弧長度與預制缺陷V型槽斜面長比值小于0.05倍時,膜片打開壓強對預制缺陷圓角并不敏感,因此,預制缺陷需確定的結構參數(shù)僅為V型槽開口角度α,缺陷深度a和膜片厚度h。
此外,由于所確定的金屬膜片預制缺陷槽為均勻放射狀,各缺陷槽尺寸、受力狀態(tài)*相同,忽略各缺陷槽之間的影響,任取其中任一條缺陷作為研究對象;所設計的金屬膜片破壞形式均為 I 型裂紋擴展破壞,因此只需求解預制缺陷處的 I 型應力強度因子 KI 即可表征金屬膜片設計合理性。
金屬膜片結構設計
根據(jù)II脈沖藥柱穩(wěn)定點燃初始壓強控制要求,確定金屬膜片設計打開壓強為2.2MPa。在某實際隔艙式雙脈沖發(fā)動機直徑限制膜片半徑R =142mm時,確定動態(tài)斷裂韌性約為21MPa /m2的膜片結構尺寸分別為: 開口角度α =90°,缺陷深度a=1mm,膜片厚度h=3mm。
經計算,在該參數(shù)條件時預制缺陷上應力強度因子隨徑向距離變化關系??梢钥闯觯?由于圓板中心處應力最大,應力強度因子在該處也達到極大值,其后隨徑向距離增大逐漸減小。此外,圓心處應力強度因子達到21.4 MPa/m2 ,大于對應材料斷裂韌性,因此在該燃燒室內壓作用下,膜片將從中心位置開始破壞并逐步擴展致整個預制缺陷,符合預先設計。 [
金屬膜片打開驗證實驗
為考核結構參數(shù)設計合理性,采用裝置開展隔艙金屬膜片打開單項實驗。該實驗裝置由 I、II 脈沖集壓室、隔艙結構、進壓口、測試裝置等部件構成。實驗中在 II 脈沖集氣室內裝填假藥柱以真實模擬脈沖發(fā)動機自由空間,通過設置在兩個集壓室的進壓口與利用適量點產生的壓強相互聯(lián)通模擬脈沖發(fā)動機燃燒室初始壓強。
針對設計膜片結構開展6次實驗研究,實驗后進行的膜片完整性檢查結果顯示: 除第一次實驗中膜片結構較為完整外,其余均從預制缺陷位置產生3~ 5條數(shù)量不等的 I 型貫穿性裂紋,與預先“米”字形設計一致。同時,實驗中也發(fā)現(xiàn)后五次實驗中各條缺陷均未同時貫穿,主要原因在于:應力強度因子一致性受缺陷深度加工誤差影響較大,必然導致破壞程度存在一定差異。
第一次實驗中點產生的最大壓強僅為1.68MPa,小于打開壓強設計值,因此膜片打開失?。?其余5次實驗因建壓加載速率差異等因素影響,各次實驗曲線間存在一定差異,但總體變化趨勢趨于一致,五次實驗中打開壓 強平均值為2.10MPa,與設計值誤差約為4.545% ,說明采用所建立方法獲得的金屬膜片結構參數(shù)滿足設計要求。
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