钛合金/三元乙丙橡胶接头粘接界面性能参数的测试与反演

doi:10.19936/j.cnki.2096-8000.20251228.011

复合材料科学与工程 ›› 2025, Vol. 0 ›› Issue (12): 79-87.DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20251228.011

钛合金/三元乙丙橡胶接头粘接界面性能参数的测试与反演

陈彩月¹, 丁安心^1*, 张宇², 黄泽勇², 杨帆³, 赵飞³, 周睿³, 唐自佳³

1.武汉理工大学材料科学与工程学院,武汉 430070;
2.湖北三江航天江北机械工程有限公司,孝感 432000;
3.湖北航天技术研究院总体设计所航天动力先进技术湖北省重点实验室,武汉 430040

收稿日期:2024-10-11 出版日期:2026-02-06 发布日期:2026-02-06
通讯作者: 丁安心(1987—),男,博士,教授,硕士生导师,研究方向为复合材料制备与设计,axding@whut.edu.cn。
作者简介:陈彩月(2000—),女,硕士研究生,研究方向为复合材料界面力学性能参数表征。
基金资助:
湖北省重大科技攻关项目(尖刀2023BAA004)

Test and inversion of properties parameters of Ti/EPDM bonded interface

CHEN Caiyue¹, DING Anxin^1*, ZHANG Yu², HUANG Zeyong², YANG Fan³, ZHAO Fei³, ZHOU Rui³, TANG Zijia³

1. Materials Science and Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China;
2. Hubei Sanjiang Space Jiangbei Mechanical Engineering Co., Ltd., Xiaogan 432000, China;
3. Hubei Key Laboratory of Advanced Aerospace Propulsion Technology, System Design Institute of Hubei Aerospace Technology Academy, Wuhan 430040, China

Received:2024-10-11 Online:2026-02-06 Published:2026-02-06

摘要/Abstract

摘要： 钛合金(Ti)/三元乙丙橡胶(EPDM)粘接界面是固体火箭发动机壳体的重要界面之一。本文基于Ⅰ,Ⅱ型断裂韧性测试获取界面仿真性能参数,结合剪切和扯离测试推导界面失效判据参数。建立含双悬臂梁(Double Cantilever Beam,DCB)试件的有限元模型,以双线性内聚力模型定义粘接面的接触关系,通过公式计算出仿真曲线和试验曲线的重合度,采用人工神经网络联合遗传算法(GA-ANN)、模拟退火算法(SA-ANN)以及MATLAB联合遗传算法(GA-MAT)、模拟退火算法(SA-MAT)求解函数最优值,从而获得界面模量的精确值。并以试验测试数据为基础,数值仿真为反演工具,优化计算为分析手段,采用测试-仿真-计算相结合的方法获取了Ti/EPDM粘接界面性能参数的精确值,为评估燃烧室壳体界面结构的环境适应性提供判据。

关键词: 三元乙丙橡胶, 双悬臂梁, 粘接界面, 人工神经网络, 参数反演, 复合材料

Abstract: The bonded interface of Titanium alloy/ethylene propylene diene monomer (EPDM) is one of the crucial interfaces in the solid rocket engine shell. In this paper, the simulation performance parameters were obtained based on the fracture toughness analysis test of mode Ⅰ and Ⅱ interface, and the failure criterion parameters were obtained through shear and peel tests. The finite element model of the double cantilever beam (DCB) specimen was established, and the contact of bonding surface was defined with the bilinear cohesive zone model. The degree of coincidence between the simulation and the experimental curve was calculated by formula, and the optimal value of the function was obtained by artificial neural network in combination with genetic algorithm (GA-ANN), simulated annealing (SA-ANN), and MATLAB in combination with genetic algorithm (GA-MAT) and simulated annealing (SA-MAT). Thus, the precise value of the interface modulus was obtained. Based on the experimental test results, numerical simulation was used as a reverse engineering tool, optimization calculation was used as an analysis method, and the precise value of the Ti/EPDM bonding interface performance parameters was obtained by combining testing, simulation, and calculation. The results are verified based on the test, and are in good agreement, providing a criterion for evaluating the environmental adaptability of the combustion chamber shell interface structure.

Key words: ethylene propylene diene monomer, double cantilever beam, adhesive interface, artificial neutral network, parameter inversion, composites

中图分类号:

TB332

陈彩月, 丁安心, 张宇, 黄泽勇, 杨帆, 赵飞, 周睿, 唐自佳. 钛合金/三元乙丙橡胶接头粘接界面性能参数的测试与反演[J]. 复合材料科学与工程, 2025, 0(12): 79-87.

CHEN Caiyue, DING Anxin, ZHANG Yu, HUANG Zeyong, YANG Fan, ZHAO Fei, ZHOU Rui, TANG Zijia. Test and inversion of properties parameters of Ti/EPDM bonded interface[J]. COMPOSITES SCIENCE AND ENGINEERING, 2025, 0(12): 79-87.

参考文献

[1] 中国航天工业总公司. 世界导弹与航天发动机大全[M]. 北京:军事科学出版社, 1999: 40.
[2] 李莹新, 莫纪安, 王秀云, 等. 固体火箭发动机壳体复合材料研究进展[J]. 航天制造技术, 2020, 46(4): 65-69.
[3] 罗智勇, 沈伟民, 孙振兴. Ⅰ界面胶黏剂自动喷涂工艺研究[J]. 宇航材料工艺, 2020, 50(5): 44-50.
[4] 涂春潮, 米志安, 王文志, 等. 硅橡胶与钛合金粘接工艺研究[J]. 粘接, 2008, 18(2): 33-35.
[5] 陈国辉, 李冬, 刘剑侠, 等. 固体火箭发动机绝热层粘接性能影响因素分析[J]. 化工新型材料, 2019, 47(4): 134-135.
[6] SURESHKUMAR M S, BHUVANESWARI C M, KAKADE S D, et al. Studies on the properties of EPDM-CSE blend containing HTPB for case-bonded solid rocket motor insulation[J]. Polymers for Advanced Technologies, 2008, 19(2): 144-150.
[7] 葛仁奎, 朱小飞, 李琳, 等. 固体火箭发动机外防热涂层用改性硅烷粘接剂性能研究[J]. 固体火箭技术, 2020, 43(3): 11-20.
[8] 张光春, 罗江凤, 郭飞鸽, 等. 固体火箭发动机钢壳体与硅橡胶基外防热涂层间用界面处理剂工艺及性能[J]. 固体火箭技术, 2020, 43(3): 340-345.
[9] PALAZOTTO A N, BIRMAN V. Review of fracture in adhesive joints considering rocket motor application[J]. Journal of Spacecraft & Ro-ckets, 1995, 32(3): 538-544.
[10] ZHOU Q C, XU J S, CHEN X, et al. Review of the adhesively bonded interface in a solid rocket motor[J]. Journal of Adhesion, 2016, 92(5): 402-428.
[11] NEEDLEMAN A. An analysis of tensile decohesion along an interface[J]. Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 1990, 38(3): 289-324.
[12] ORTIZ M, PANDOLFI A. Finite-deformation irreversible cohesive elements for three-dimensional crack-propagation analysis[J]. International Journal for Numerical Methods Engineering, 1999, 44(9): 1267-1282.
[13] 尹世豪, 张建宇, 龚愉, 等. 新型三线性本构内聚力模型的界面参数研究[J]. 重庆大学学报, 2020, 43(2): 91-99.
[14] 栗永峰, 张赋, 申志彬, 等. 固体火箭发动机复合材料壳体裙黏接性能分析[J]. 国防科技大学学报, 2018, 40(2): 35-40.
[15] 杨敏, 许永伦, 王淑婷, 等. 基于复合弹性体界面粘接强度计算的有限元数值模型构建[J]. 中国胶粘剂, 2024, 33(5): 33-39.
[16] 崔辉如, 王佳奇, 吕轩, 等. 基于三维八节点内聚单元的固体火箭发动机粘接界面结构分析[J]. 固体火箭技术, 2022, 45(3): 366-377.
[17] 马晓琳, 申志彬, 崔辉如. 固体发动机推进剂/绝热层界面Ⅰ型脱粘力学行为试验与仿真研究[J]. 固体火箭技术, 2019, 42(3): 282-289.
[18] PARK K, PAULINO G H, ROESLER J R. A unified potential-based cohesive model of mixed-mode fracture[J]. Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 2009, 57(6): 891-908.
[19] AIROLDI A, DÁVILA C G. Identification of material parameters for modelling delamination in the presence of fibre bridging[J]. Composite Structures, 2012, 94(11): 3240-3249.
[20] VALOROSO N,FEDELE R. Characterization of a cohesive-zone model describing damage and de-cohesion at bonded interfaces. Sensitivity analysis and mode-Ⅰ parameter identification[J]. International Journal of Solids and Structures, 2010, 47(13): 1666-1677.
[21] 赵朝坤, 刘应雷, 刘凯, 等. (T700/环氧)/EPDM粘接界面参数的实验测试及反演分析[J]. 固体火箭技术, 2021, 44(4): 520-526.
[22] ASTM Committee D30. Standard test method for mode Ⅰ interlaminar fracture toughness of unidirectional fiber-reinforced polymer matrix composites: ASTM D5528-01: 2001[S]. West Conshohocken: ASTM International, 2001.
[23] ASTM Committee D30. Standard test method for determination of the mode Ⅱ interlaminar fracture toughness of unidirectional fiber-reinforced polymer matrix composites: ASTM D7905/D7905-19e1: 2019[S]. West Conshohocken: ASTM International, 2019.
[24] 中华人民共和国航空航天工业部. 固体火箭发动机燃烧室界面粘接强度测试方法: QJ 2038.2—1991[S]. 北京: 中华人民共和国航空航天工业部, 1991.
[25] 中国航天标准化研究所. 固体火箭发动机燃烧室界面粘接强度测试方法: QJ 2038.1A—2004[S]. 北京: 北京航天标准化研究所, 2004.

钛合金/三元乙丙橡胶接头粘接界面性能参数的测试与反演

Test and inversion of properties parameters of Ti/EPDM bonded interface

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

参考文献

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价

[1]	卓晴, 王诗仪, 赵伟, 李明普, 王煜祺, 李媛媛, 李英儒. 基于Pickering乳液法的石墨烯/PCM复合材料的制备与性能[J]. 复合材料科学与工程, 2025, 0(9): 1-7.
[2]	邓裕, 涂昊昀. 基于DIC的短切纤维增韧碳纤维复合材料Ⅰ型层间性能研究[J]. 复合材料科学与工程, 2025, 0(9): 8-15.
[3]	张龙, 张伟, 范钧滔, 廖文林. 随机分布载荷作用下双向功能梯度材料悬臂梁的半解析模拟方法[J]. 复合材料科学与工程, 2025, 0(9): 16-26.
[4]	慕文龙, 陈良玉, 黎世杰, 张世坤, 蒋军委. 铺层顺序对亚麻/玄武岩纤维混杂增强复合材料低速冲击性能的影响[J]. 复合材料科学与工程, 2025, 0(9): 27-34.
[5]	李科辉, 张月尧, 宋龙杰, 杨莉玲, 陈丁丁, 邢素丽, 尹昌平, 唐俊. 纳米碳酸钙改性前端聚合双环戊二烯树脂性能研究[J]. 复合材料科学与工程, 2025, 0(9): 35-41.
[6]	黄顺枫, 刘文博, 王培培, 杨帆, 王荣国, 胡可军. 基于热-流-固多场耦合的厚截面复合材料凝胶前后固化均匀性优化[J]. 复合材料科学与工程, 2025, 0(9): 47-54.
[7]	郭敬, 焦亚男, 周庆, 万喜莉, 陈利. 蜂窝状三维机织复合材料的制备及压缩失效行为研究[J]. 复合材料科学与工程, 2025, 0(9): 55-64.
[8]	王岩, 黄永勇, 李毅超. L形复合材料长梁件的倒圆角对其固化变形特性影响规律研究[J]. 复合材料科学与工程, 2025, 0(9): 65-74.
[9]	姜鹏飞, 李磊, 张一帆. 纬纱层向偏转角对2.5D机织复合材料经向拉伸力学行为的影响[J]. 复合材料科学与工程, 2025, 0(9): 75-83.
[10]	方思明, 庄雷, 周晓亮, 孔魁, 徐利强, 张定好, 李亚龙. 有限差分法在大型风电叶片静力测试中的应用与研究[J]. 复合材料科学与工程, 2025, 0(9): 93-97.
[11]	广禹波, 任明伟, 邱睿, 曹清林, 王勇, 王馨钰. 乘用车复合材料后排座椅背板设计与分析[J]. 复合材料科学与工程, 2025, 0(9): 110-116.
[12]	孙卓伟, 袁国青. 复合材料无缝衬套挤压强化仿真及其疲劳寿命预测研究[J]. 复合材料科学与工程, 2025, 0(9): 125-134.
[13]	吴迪, 刘驻, 毕团利, 程路超, 刘震宇, 章继峰. 碳纤维增强复合材料反射镜制备与应用研究进展[J]. 复合材料科学与工程, 2025, 0(9): 135-146.
[14]	李壮壮, 刘新浩, 牟秀娟, 王其坤. 高超音速飞行器用新型树脂基烧蚀防热材料研究进展[J]. 复合材料科学与工程, 2025, 0(9): 147-156.
[15]	武顺心, 朱水文. 基于渐近均匀化法的黏弹性复合材料时域本构模型研究[J]. 复合材料科学与工程, 2025, 0(8): 8-14.