碳纖維復(fù)合材料在發(fā)射裝置上的應(yīng)用研究*

（中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院，洛陽(yáng) 471009）

碳纖維因具有高比強(qiáng)度和高比模量等一系列優(yōu)異性能，已經(jīng)在航空、航天各領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[1-3]。目前，歐美大型飛機(jī)機(jī)體材料正從以鋁合金為主過(guò)渡至以復(fù)合材料為主，主要應(yīng)用于飛機(jī)蒙皮壁板、機(jī)翼中間梁、機(jī)身隔框、艙門及整流罩等部位，50%復(fù)合材料用量是未來(lái)飛機(jī)的起點(diǎn)[4]，例如F-22為24%，F(xiàn)-35為36%，EF2000為43%，B-2接近50%，波音787的復(fù)合材料用量已達(dá)到50%以上且在主承載部位的應(yīng)用更加廣泛[5]。

近年來(lái)，采用低成本的RTM整體成型技術(shù)制備具有復(fù)雜外形的厚壁復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在國(guó)際復(fù)合材料制造領(lǐng)域不乏成功的先例，如F16戰(zhàn)斗機(jī)的起落架撐桿和NH-90直升機(jī)的起落架懸臂[6]。

面對(duì)日益激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，發(fā)射裝置的重量直接影響武器系統(tǒng)的綜合性能，成為產(chǎn)品競(jìng)標(biāo)中的一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)?，F(xiàn)有發(fā)射裝置結(jié)構(gòu)件的材料多為不銹鋼或鋁合金，僅通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)減重的效果有限，而若選用碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料，則可獲得顯著的減重效果。同時(shí)，復(fù)合材料相對(duì)于金屬材料還有以下優(yōu)點(diǎn)：耐腐蝕、抗疲勞損傷能力強(qiáng)、機(jī)械加工量大大減少、復(fù)雜外形易于實(shí)現(xiàn)、可以根據(jù)強(qiáng)度/剛度的需要布置纖維方向、隱身性能良好、熱膨脹幾乎為零[7]等，因此成為未來(lái)發(fā)射裝置的重要發(fā)展趨勢(shì)之一。

國(guó)內(nèi)航空樹脂基復(fù)合材料經(jīng)過(guò)近30多年的發(fā)展，在飛機(jī)上的應(yīng)用走過(guò)了一條由非承力、次承力構(gòu)件的應(yīng)用擴(kuò)展到主承力構(gòu)件應(yīng)用的道路[8]。碳纖維復(fù)合材料在發(fā)射裝置應(yīng)用方面起步較晚，相關(guān)參考文獻(xiàn)較少，輕量化設(shè)計(jì)已成為發(fā)射裝置設(shè)計(jì)的瓶頸。本文選擇機(jī)載彈射發(fā)射裝置的典型結(jié)構(gòu)作為研究對(duì)象，通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和RTM工藝獲得合格的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件，經(jīng)過(guò)全面的試驗(yàn)驗(yàn)證和數(shù)據(jù)分析，證明該復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件滿足設(shè)計(jì)要求，為發(fā)射裝置采用碳纖維復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)減重提供依據(jù)和經(jīng)驗(yàn)。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 外形設(shè)計(jì)

推臂作為機(jī)載彈射發(fā)射裝置的典型結(jié)構(gòu)件，是彈射機(jī)構(gòu)的組成部分，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的打開(kāi)及收回。在發(fā)射裝置工作過(guò)程中，推臂承受短時(shí)間（100ms）的面內(nèi)壓縮和彎曲載荷；在發(fā)射裝置掛飛過(guò)程中，推臂不受力。工作環(huán)境溫度為-55℃～+75℃，需要完成鹽霧、濕熱、振動(dòng)、沖擊、加速度等環(huán)境試驗(yàn)的考核[7-9]。

具體載荷要求為φ=8°時(shí)，推臂的孔A受水平力F1=32kN，孔B六自由度約束，孔C受豎直向上的力F2=4.5kN；φ=22.5°時(shí)，推臂的孔A受水平力F1=13.5kN，孔B六自由度約束，孔C受豎直向上的力F2=6.7kN（圖 1）。

圖1 推臂在彈射行程中的載荷要求Fig.1 Load request

在滿足裝配接口要求的前提下，為降低工藝難度和有效發(fā)揮碳纖維的力學(xué)性能優(yōu)勢(shì)，對(duì)推臂進(jìn)行外形設(shè)計(jì)。碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的外形設(shè)計(jì)主要考慮5方面：（1）模具的可加工性，及合模、開(kāi)模的可實(shí)現(xiàn)性；（2）纖維連續(xù)性，使力學(xué)性能達(dá)到最優(yōu)；（3）RTM成型過(guò)程的可操作性，包括預(yù)成型件的制作以及纖維織布的鋪覆；（4）注射效果、樹脂流動(dòng)性；（5）滿足零件的裝配接口及空間要求。

推臂的外形設(shè)計(jì)方案如圖2所示，結(jié)構(gòu)形式為厚壁雙曲梁結(jié)構(gòu)，主承力區(qū)的壁厚為12mm，兩主承力臂之間通過(guò)5根10mm厚的腹板連接。裝配精度要求高的端部開(kāi)孔處，通過(guò)對(duì)成型件進(jìn)行機(jī)械加工實(shí)現(xiàn)，并裝配鈹青銅軸套。

1.2 材料體系及失效準(zhǔn)則

根據(jù)推臂的載荷條件，選用T700纖維以滿足高強(qiáng)度要求；根據(jù)工作溫度，選用中溫環(huán)氧樹脂。考慮到推臂主要承擔(dān)面內(nèi)大載荷，主承力的連續(xù)纖維區(qū)域采用T700單向帶鋪層，以獲得較好力學(xué)性能；考慮工藝可制造性，表面結(jié)構(gòu)采用碳布織物。碳布和單向帶均為Toray公司的T700纖維，其中織物的產(chǎn)品牌號(hào)為CF3011，單向帶的產(chǎn)品牌號(hào)為U7190。樹脂基體采用液態(tài)成型工藝環(huán)氧樹脂，產(chǎn)品牌號(hào)為XY3261。U7190/XY3261復(fù)合材料的力學(xué)性能數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

圖2 外形設(shè)計(jì)方案Fig.2 Structural design

根據(jù)推臂的承載要求和使用工況，制定結(jié)構(gòu)失效準(zhǔn)則，并確定相應(yīng)的指標(biāo)值作為結(jié)構(gòu)有限元分析的判定依據(jù)，如表2所示。

1.3 鋪層設(shè)計(jì)

表1 U7190/XY3261復(fù)合材料的力學(xué)性能

表2 結(jié)構(gòu)失效判定準(zhǔn)則

碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料，通常為單層厚度在0.5mm以下的層狀疊層結(jié)構(gòu)，其面內(nèi)連續(xù)纖維的方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的受載方向，疊層方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的非主承力方向。碳纖維增強(qiáng)相通常具有兩種形式：?jiǎn)蜗驇Ш碗p向織物。單向帶在性能上具有纖維平直性好、設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但工藝鋪覆性和剪切協(xié)調(diào)變形差；雙向織物由于纖維發(fā)生了面外彎曲，剛度和強(qiáng)度要低于單向帶，但雙向織物的工藝鋪覆性好，面內(nèi)性能分布平均?；趩蜗驇Ш碗p向織物的特點(diǎn)，本結(jié)構(gòu)件在形狀簡(jiǎn)單的承載區(qū)域主要采用單向帶U7190，在鋪覆性較差的區(qū)域以及產(chǎn)品表面多采用雙向織物CF3011。由于載荷嚴(yán)酷，因此要求纖維體積含量達(dá)到60%。

根據(jù)載荷要求可知，推臂屬于典型的橫力彎曲梁結(jié)構(gòu)，彎矩和軸向載荷產(chǎn)生的主應(yīng)力都沿長(zhǎng)度方向。因此，采用雙載荷通路設(shè)計(jì)的框體結(jié)構(gòu)，不僅能提高長(zhǎng)度方向的結(jié)構(gòu)可靠性，而且可以保證橫向載荷下結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度（圖3）。

推臂選用 0°、45°、90°、-45° 4種鋪層角度，在推臂的連續(xù)鋪層區(qū)，鋪層順序?yàn)椋篬0/45/-45/03/45/0/45/0/90/0/45/02/-45/02/45/02/90/03/45/02/45/03/-45/02/45//90/0245/02/-45/02/45/02]，鋪層比例見(jiàn)表3，考慮推臂的載荷特點(diǎn)，承擔(dān)面內(nèi)壓縮載荷的0°纖維盡量多，比例設(shè)計(jì)為65%；同時(shí)推臂還承擔(dān)面內(nèi)彎曲載荷，因此45°纖維和-45°纖維比例均設(shè)計(jì)為14.5%。

1.4 強(qiáng)度校核

圖3 鋪層分區(qū)設(shè)計(jì)Fig.3 Ply design

表3 鋪層比例

推臂的側(cè)壁主承力區(qū)采用六面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，兩端端頭采用四面體實(shí)體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分（圖4）。根據(jù)載荷要求施加約束，由于推臂同時(shí)承受壓縮和彎曲載荷，在幾何尺寸變化較大的區(qū)域會(huì)形成應(yīng)力集中，需要重點(diǎn)關(guān)注。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知：推臂在工況2時(shí)最大拉、壓應(yīng)變接近4000，考慮計(jì)算結(jié)果為點(diǎn)應(yīng)變，進(jìn)行局部補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)（增加高應(yīng)變區(qū)的連續(xù)纖維厚度）后，除應(yīng)力集中點(diǎn)外，其余部分最大應(yīng)變?cè)?700以內(nèi)（表4）。按照同樣的載荷要求計(jì)算原鋁合金材料推臂，應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D變化趨勢(shì)一致，說(shuō)明該碳纖維推臂經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和鋪層設(shè)計(jì)后，整體載荷的分配比較合理。綜上所述，認(rèn)為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和鋪層設(shè)計(jì)滿足設(shè)計(jì)要求?？紤]到復(fù)合材料受成型工藝影響較大，在RTM制造過(guò)程中，需要對(duì)于應(yīng)變較大的區(qū)域和所有三角區(qū)格外關(guān)注，保證工藝質(zhì)量。

圖4 網(wǎng)格劃分及應(yīng)變分布Fig.4 Finite element model and stress distribution

表4 強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

2 RTM成型工藝

樹脂轉(zhuǎn)移模塑工藝（Resin Transfer Molding，簡(jiǎn)稱RTM）是一種采用剛性閉合模具制造復(fù)合材料的技術(shù)，其基本原理是在模具型腔中預(yù)先放置增強(qiáng)材料，合模加緊后在一定的溫度和壓力下將經(jīng)靜態(tài)混合器混合均勻的樹脂體系注入模具，浸漬增強(qiáng)體后固化，脫模得到的復(fù)合材料制品。RTM工藝提供了在非熱壓罐環(huán)境下制造高力學(xué)性能要求的結(jié)構(gòu)件的可能性；同時(shí)，RTM工藝可以滿足較高的尺寸精度要求[10-13]。

考慮到推臂的形狀復(fù)雜，屬厚壁結(jié)構(gòu)，載荷大、尺寸精度高等特點(diǎn)， RTM工藝是比較理想的成型方式。樹脂選用中溫環(huán)氧樹脂，80℃下粘度為40mPa·s。

由于推臂的壁厚且彎角較多，其復(fù)雜的流動(dòng)性會(huì)給成型模具的注膠、出膠設(shè)計(jì)帶來(lái)困難，故模具設(shè)計(jì)是RTM成型工藝設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。模具材料選用高強(qiáng)度不銹鋼，由陽(yáng)模、陰模和芯塊組成，各芯塊組合裝配后放入模具，通過(guò)壓緊裝置和密封裝置保證合模效果，并設(shè)計(jì)合理的注膠口和出膠口。RTM工藝流程為：模具準(zhǔn)備→織物裁剪→鋪覆（脫模劑）→合模→密封性測(cè)試→注膠（膠液配制）→固化→脫?！筇幚怼尚图?。其中，固化條件為烘箱溫度150℃，模具溫度130℃，固化時(shí)間3h。

考慮到推臂的裝配精度要求，對(duì)復(fù)合材料成型件進(jìn)行機(jī)械加工[14-15]，并裝配銅套，如圖5所示。

目前，超聲檢測(cè)是復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)最常用的方法。超聲探頭接收到的脈沖回波具有不同的顯示方式，常見(jiàn)的有A型、B型和C型[15]。由于本項(xiàng)目中的復(fù)合材料零件壁厚且形狀復(fù)雜，故采用超聲波A型檢測(cè)，沿主承力方向的6處區(qū)域檢測(cè)圖片如圖6所示，結(jié)果顯示零件內(nèi)部注膠比較透徹，沒(méi)有明顯缺陷，成型效果比較理想，但所有的三角區(qū)無(wú)法檢測(cè)，具有一定風(fēng)險(xiǎn)。

表5 樹脂基本性能

圖5 復(fù)合材料推臂Fig.5 Composite drag basce

圖6 A掃檢測(cè)圖片F(xiàn)ig.6 Photos of ultrasonic A scan

圖7 靜力試驗(yàn)Fig.7 Mechanical experiment

表6 載荷與應(yīng)變結(jié)果

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 部件試驗(yàn)

根據(jù)推臂的載荷要求，結(jié)合強(qiáng)度校核計(jì)算結(jié)果，設(shè)計(jì)試驗(yàn)夾具模擬推臂的靜載工況，通過(guò)監(jiān)測(cè)復(fù)合材料推臂的危險(xiǎn)區(qū)域的應(yīng)變來(lái)判斷其承載能力。并按照2mm/min的加載速度完成靜力加載試驗(yàn)，如圖7所示，載荷與應(yīng)變結(jié)果見(jiàn)表6。試驗(yàn)結(jié)果表明推臂在1.5倍工作載荷下仍能保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

3.2 整機(jī)彈射試驗(yàn)

機(jī)載彈射發(fā)射裝置具有彈射速度大，彈射分離參數(shù)精度要求高的特點(diǎn)，在彈射過(guò)程中其結(jié)構(gòu)件瞬間受到較大的彈射作用力，機(jī)構(gòu)在大范圍運(yùn)動(dòng)過(guò)程中變形效應(yīng)顯著，該變形效應(yīng)直接影響了導(dǎo)彈分離姿態(tài)，影響發(fā)射安全性。將復(fù)合材料推臂裝配發(fā)射裝置后完成80次整機(jī)彈射作動(dòng)試驗(yàn)，同時(shí)對(duì)高應(yīng)變區(qū)的應(yīng)變進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，分離速度、分離角速度、過(guò)載均滿足要求，說(shuō)明導(dǎo)彈分離姿態(tài)正常；高應(yīng)變區(qū)測(cè)量的最大應(yīng)變穩(wěn)定后在 4500μ ε左右，與理論計(jì)算結(jié)果 4000μ ε相當(dāng)（圖8和9）。結(jié)合應(yīng)變測(cè)量和A掃結(jié)果，證明80次整機(jī)彈射試驗(yàn)后未推臂出現(xiàn)結(jié)構(gòu)破壞，其強(qiáng)度和剛度均滿足設(shè)計(jì)要求。

圖8 整機(jī)彈射試驗(yàn)的應(yīng)變測(cè)量結(jié)果Fig.8 Result of stress in launch experiment

圖9 整機(jī)試驗(yàn)后的超聲波A掃結(jié)果Fig.9 Photos of ultrasonic A scan after launch experiment

3.3 靜力破壞試驗(yàn)

為考核復(fù)合材料推臂的最大承載能力和設(shè)計(jì)裕度，按照應(yīng)變較大的工況2的載荷要求，用2mm/min的加載速度完成靜力破壞試驗(yàn)，得到應(yīng)變結(jié)果見(jiàn)表7。推臂在2.5倍工作載荷時(shí)發(fā)生破壞，破壞位置在理論計(jì)算的高應(yīng)變區(qū)。證明該推臂的安全系數(shù)為2.5，滿足設(shè)計(jì)要求的安全系數(shù)2，可以為成型過(guò)程中的不可控因素提供設(shè)計(jì)余量。

3.4 環(huán)境試驗(yàn)

（1）推臂隨整機(jī)完成了靜力強(qiáng)度、功能振動(dòng)、耐久振動(dòng)、沖擊等試驗(yàn)，結(jié)構(gòu)未發(fā)現(xiàn)異常。

表7 載荷與應(yīng)變結(jié)果

（2）根據(jù)GJB150.11A的要求，推臂完成了鹽霧試驗(yàn)。其中，鹽霧為5%NaCl溶液，溫度35℃，干濕度為80%，試驗(yàn)時(shí)間為96h，試驗(yàn)后碳纖維復(fù)合材料及其與銅套裝配的部位均未發(fā)現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象（圖10）。

圖10 鹽霧試驗(yàn)Fig.10 Corned experiment

4 結(jié)論

（1）此類結(jié)構(gòu)形式的發(fā)射裝置主承力結(jié)構(gòu)件可以選用復(fù)合材料RTM工藝成型，以滿足減重設(shè)計(jì)要求。

（2）厚壁異形的復(fù)合材料推臂結(jié)構(gòu)，通過(guò)外形設(shè)計(jì)、鋪層設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)，可以滿足強(qiáng)度、剛度和各種環(huán)境適應(yīng)性要求。

（3）驗(yàn)證了碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料作為厚壁主承力結(jié)構(gòu)件的可行性，為碳纖維復(fù)合材料在發(fā)射裝置主承力結(jié)構(gòu)件領(lǐng)域的應(yīng)用提供了理論指導(dǎo)和依據(jù)；同時(shí)，要實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料承力結(jié)構(gòu)件在機(jī)載發(fā)射裝置領(lǐng)域替換鋁合金結(jié)構(gòu)件，還需要進(jìn)行大量的工作，主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、RTM成型工藝設(shè)計(jì)、機(jī)械加工方法、損傷評(píng)定等幾方面。

參 考 文 獻(xiàn)

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