SiC/Al鋁基復(fù)合材料在慣性器件上的應(yīng)用研究

楊朋軍，李 良，雷志強(qiáng)，楊瑞超

(西安航天精密機(jī)電研究所， 西安 710100)

SiC/Al鋁基復(fù)合材料在慣性器件上的應(yīng)用研究

楊朋軍，李 良，雷志強(qiáng)，楊瑞超

(西安航天精密機(jī)電研究所， 西安 710100)

近年來，SiC/Al復(fù)合材料在現(xiàn)代軍事型號中的應(yīng)用日益廣泛。以某型號平臺臺體為研究對象，先后用ZL107傳統(tǒng)材料、SiC/Al復(fù)合材料加工了兩種臺體，并進(jìn)行了對比試驗，結(jié)果表明，SiC/Al復(fù)合材料臺體較ZL107傳統(tǒng)材料臺體結(jié)構(gòu)性能顯著提高。

SiC/Al復(fù)合材料；研究

0 引言

慣性平臺系統(tǒng)作為慣性坐標(biāo)基準(zhǔn)廣泛應(yīng)用在各種運載火箭、導(dǎo)彈及其他飛行器中，平臺結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的靜、動態(tài)特性直接影響著慣性儀表的工作精度和可靠性。隨著航天技術(shù)和國防事業(yè)的日益發(fā)展，現(xiàn)代軍事技術(shù)對新型號慣性平臺不僅要求具有更高的精度和可靠性指標(biāo)，而且要求具有系統(tǒng)小型化、輕量化、定型快以及適應(yīng)大過載、大沖擊等惡劣力學(xué)環(huán)境條件的特點。要滿足平臺系統(tǒng)精度高、輕量化、抗沖擊、抗過載等惡劣力學(xué)環(huán)境條件的特點，有兩條途徑可以實現(xiàn)此項指標(biāo)：一是采用新型比剛度高材料；二是對平臺結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計。在平臺結(jié)構(gòu)系統(tǒng)受結(jié)構(gòu)形式、外圍空間等因素限制的情況下，采用新型比剛度高材料以達(dá)到上述要求就顯得尤為重要[1]。

1 鋁材和SiC/Al復(fù)合材料性能對比

慣性平臺結(jié)構(gòu)件多為形狀復(fù)雜、精度高的精密零件，如平臺內(nèi)環(huán)、外環(huán)、臺體、基座等，要求其在高低溫變化、振動沖擊等工作環(huán)境下，具有抵抗永久變形和長時間保持精度穩(wěn)定的能力。這就對結(jié)構(gòu)材料提出了嚴(yán)格要求，如高比剛度，良好的力學(xué)性能，穩(wěn)定的物理、化學(xué)性能，低膨脹系數(shù)，較高的微屈服抗力等。因而，平臺結(jié)構(gòu)件必須應(yīng)用具有優(yōu)良特性的材料。新型鋁基復(fù)合材料的出現(xiàn)充分滿足了平臺系統(tǒng)高性能、高可靠性的要求。

1.1 慣性平臺結(jié)構(gòu)件傳統(tǒng)材料局限性

目前平臺結(jié)構(gòu)件主要以鋁合金材料為主。鋁合金密度小，具有不銹鋼的比強(qiáng)度和優(yōu)良的力學(xué)性能，工藝性能優(yōu)異。但鋁合金彈性模量小，在切削加工時表現(xiàn)出剛性差、結(jié)構(gòu)受力變形較大、尺寸穩(wěn)定性較差等缺陷，具體表現(xiàn)在以下方面：1)自發(fā)變形：鋁合金長時間會發(fā)生應(yīng)力松弛現(xiàn)象，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)零件的自身變形；2)低應(yīng)力變形：鋁合金的微屈服強(qiáng)度很低(約80～150MPa左右)，零件裝配過程的擰緊力、粘合力等應(yīng)力足以使零件產(chǎn)生微小變形；3)熱失配變形：鋁合金熱膨脹系數(shù)與配合零件(如框架軸、軸承座)等相差將近1倍，長期服役過程中容易使配合精度、結(jié)構(gòu)應(yīng)力、預(yù)緊力發(fā)生變化，這種變化足以導(dǎo)致鋁合金產(chǎn)生永久的微變形，導(dǎo)致平臺長期穩(wěn)定性變差；4)熱錯配變形：鋁合金在變溫過程中，例如系統(tǒng)多次啟動材料內(nèi)部容易發(fā)生位錯的移動等現(xiàn)象，這些現(xiàn)象的積累造成零件發(fā)生不可逆變形。上述各種因素同時存在，任何一種微小變形均可以造成慣性平臺的精度不穩(wěn)定[2]。

1.2 SiC/Al復(fù)合材料性能介紹[3-6]

本文研究的材料為哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的光學(xué)級SiC/Al復(fù)合材料。該材料具有如下特點：1)較高的比強(qiáng)度、比剛度；2)微屈服強(qiáng)度高，能夠承受膠結(jié)應(yīng)力、禁錮應(yīng)力、熱錯配應(yīng)力等長期應(yīng)力載荷而不發(fā)生微小不可逆變形；3)尺寸穩(wěn)定性好，在長期存放或交變溫度場沖擊下不發(fā)生體積、尺寸、形狀變化；4)熱膨脹系數(shù)適宜，與軸承鋼、不銹鋼相匹配，可以減少在交變溫度場下的熱錯配應(yīng)力；5)導(dǎo)熱性高，能夠迅速均溫達(dá)到熱平衡、滿足快速啟動要求；6)該材料具有良好的振動模態(tài)，避免諧振；7)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。SiC/Al復(fù)合材料與其他常用材料的性能指標(biāo)對比如表1所示。

表1 SiC/Al復(fù)合材料與其他材料的性能指標(biāo)對比

本文以某型號平臺臺體為研究對象，先后用ZL107傳統(tǒng)材料、SiC/Al復(fù)合材料加工了兩種臺體，并進(jìn)行了對比分析和試驗，結(jié)果表明，SiC/Al復(fù)合材料臺體較ZL107傳統(tǒng)材料臺體結(jié)構(gòu)性能顯著提高。本文的研究對象如圖1所示。

圖1 臺體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The structure of platform

2 兩種材料臺體結(jié)構(gòu)性能對比

2.1 兩種材料力學(xué)仿真計算對比[7]

為了全面了解兩種材料臺體結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性，本論文對ZL107傳統(tǒng)材料臺體、SiC/Al復(fù)合材料臺體進(jìn)行了±40g空間過載分析、模態(tài)分析，其中兩種材料臺體模態(tài)振型圖如圖2、圖3所示，其分析對比如表2所示。

圖3 SiC/Al復(fù)合材料臺體第1階振型Fig.3 The first mode of SiC/Al composite material platform

項 目ZL107臺體SiC/Al臺體過載分析過載條件下臺體最大位移/mm過載條件下臺體最大應(yīng)力/MPa0 44×10-515 10 23×10-510 3臺體自由模態(tài)分析臺體第1階固有頻率/Hz臺體第2階固有頻率/Hz2253312831594387臺體組件約束模態(tài)臺體組件第1階固有頻率/Hz臺體組件第2階固有頻率/Hz910101010731391

從圖2、圖3、表2可以看出，SiC/Al復(fù)合材料臺體在過載條件下最大位移、最大應(yīng)力較ZL107臺體有所減小，說明SiC/Al復(fù)合材料較ZL107材料抗過載能力強(qiáng)。SiC/Al復(fù)合材料臺體其動態(tài)頻率為3159Hz，比ZL107材料臺體動態(tài)頻率提高了約40%，說明平臺臺體通過采用比剛度高的材料可以大幅度提高其動態(tài)頻率。

2.2 兩種材料模態(tài)試驗對比[8-9]

本文對兩種材料臺體進(jìn)行了模態(tài)試驗，測出了兩種臺體在0～4100Hz頻率范圍內(nèi)的傳遞函數(shù)，其結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 ZL107材料傳遞函數(shù)Fig.4 The transfer function of ZL107 material platform

圖5 SiC/Al復(fù)合材料傳遞函數(shù)Fig.5 The transfer function of SiC/Al composite material

通過對兩種材料臺體進(jìn)行模態(tài)試驗，可以得出如下結(jié)論：在0～2000Hz工作頻率范圍內(nèi)，SiC/Al復(fù)合材料臺體集總傳遞函數(shù)相對ZL107傳統(tǒng)材料臺體光滑，且諧振峰相對較少，說明在以上工作頻率范圍內(nèi)，采用SiC/Al復(fù)合材料能夠有效避免臺體自身模態(tài)被激起，進(jìn)而有效改善慣性儀表工作環(huán)境。

2.3 兩種材料穩(wěn)定性試驗對比[10]

為了比較SiC/Al復(fù)合材料和ZL107傳統(tǒng)材料的穩(wěn)定性，本文對上述兩種材料加工的臺體進(jìn)行了穩(wěn)定性測試，其方法是利用短期的溫度循環(huán)沖擊代替長期放置時間，測試兩種材料臺體的形位穩(wěn)定性。具體試驗步驟如下：1)將兩種材料臺體分別置于3座標(biāo)臺上，放穩(wěn)夾緊，測量指定面的平面度以及其相對于指定基準(zhǔn)的位置度并記錄；2)第一次試驗將兩種材料的臺體同時置于高低溫試驗箱內(nèi)，在30min內(nèi)將試驗箱內(nèi)溫度由室溫升至(70±2)℃，保溫4h后在30min內(nèi)將試驗箱內(nèi)溫度降至(-40±2)℃，保溫4h后在30min內(nèi)將試驗箱內(nèi)溫度升至室溫，此為一個溫度循環(huán)。進(jìn)行2個循環(huán)周期后，將2件臺體從試驗箱中取出，對臺體進(jìn)行形位測量；3)重復(fù)步驟二2次，進(jìn)行溫度循環(huán)試驗，然后對臺體進(jìn)行形位測量。因篇幅所限，本文僅列出陀螺、加表安裝面平面度穩(wěn)定性測試結(jié)果，具體如表3所示。

表3 兩種材料精度對比

通過表3可以看出，對兩種臺體施加相同的溫度條件，鑄鋁臺體最大相對變化為0.003，SiC/Al復(fù)合材料臺體最大相對變化為0.002，說明在同樣溫度條件下，SiC/Al復(fù)合材料臺體較之鑄鋁臺體穩(wěn)定性更好。

3 結(jié)論與意義

本文以某型號平臺臺體為研究對象，先后用ZL107傳統(tǒng)材料、SiC/Al復(fù)合材料加工了兩種臺體，并進(jìn)行了有限元仿真分析、模態(tài)試驗、穩(wěn)定性試驗對比。結(jié)果表明，SiC/Al復(fù)合材料臺體靜剛度、動剛度明顯高于ZL107臺體，臺體結(jié)構(gòu)因材料改變動態(tài)特性得到明顯提高。借助新型高比剛度、高穩(wěn)定材料，可以提高慣性平臺結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度，適應(yīng)大過載、大沖擊等惡劣力學(xué)環(huán)境條件，進(jìn)而使慣性平臺具有更高的精度和可靠性指標(biāo)，延長慣性平臺服役時間。

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Research on the Application of SiC/Al Composite Material on Inertial Device

YANG Peng-jun,LI Liang,LEI Zhi-qiang,YANG Rui-chao

(Xi’an Aerospace Precision Electromechanical Institute, Xi’an 710100，China)

In recent years, the application of SiC/Al composite material in the modern military field has become more and more extensive. ZL107 traditional material and SiC/Al composite material are used for processing two platforms of the same type, and the contrast experiment has been carried out. The results show that, compared with ZL107 traditional material platform, the structural performance of SiC/Al composite material platform improves significantly.

SiC/Al composite material；Research

10.19306/j.cnki.2095-8110.2016.06.012

2015-11-01；

2015-12-14。

楊朋軍(1979 - )，男，碩士，高級工程師，主要從事精密儀器與機(jī)械分析、設(shè)計。E-mail：abcyangpengjun@126.com

TH113

A

2095-8110(2016)06-0063-04