復(fù)合材料技術(shù)在輕質(zhì)導(dǎo)彈發(fā)射筒中的應(yīng)用

何江軍

摘 要： 針對導(dǎo)彈發(fā)射筒的結(jié)構(gòu)和使用特點(diǎn)，將復(fù)合材料應(yīng)用于發(fā)射筒設(shè)計(jì)中，分析了復(fù)合材料的應(yīng)用對發(fā)射筒質(zhì)量和使用性能的影響。研究表明：復(fù)合材料的使用可以使導(dǎo)彈發(fā)射筒質(zhì)量減輕至少30%，而性能仍滿足使用要求。

關(guān)鍵詞： 輕質(zhì)；導(dǎo)彈發(fā)射筒；復(fù)合材料

1前言

近年來，近程防御武器系統(tǒng)逐步成為業(yè)內(nèi)研究的熱點(diǎn)，而研制易于便捷快速完成筒彈換裝的輕質(zhì)導(dǎo)彈發(fā)射筒也成為了其中的一項(xiàng)重要課題。目前，復(fù)合材料技術(shù)在導(dǎo)彈發(fā)射筒領(lǐng)域的應(yīng)用多見于預(yù)先研究領(lǐng)域，正式型號應(yīng)用較少。與常規(guī)金屬材料相比，復(fù)合材料具有比強(qiáng)度高、比模量高、質(zhì)量輕、抗疲勞性能好及減振性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)，能夠使導(dǎo)彈發(fā)射筒減重30%左右，可匹配導(dǎo)彈發(fā)射筒輕質(zhì)化的需求。

為使減重效果比較明顯，導(dǎo)彈發(fā)射筒應(yīng)用復(fù)合材料的部件主要是筒體、前后蓋和導(dǎo)向裝置。導(dǎo)彈發(fā)射筒筒體既是支撐導(dǎo)彈彈體的容器，又承受導(dǎo)彈貯存、運(yùn)輸、發(fā)射等過程中的內(nèi)外載荷，還要為發(fā)射筒其他組成部分提供安裝平臺(tái)和定位基準(zhǔn)。導(dǎo)向裝置在導(dǎo)彈發(fā)射前限制導(dǎo)彈周向轉(zhuǎn)動(dòng)，在導(dǎo)彈發(fā)射時(shí)提供導(dǎo)彈按預(yù)定初始彈道飛行的條件。因此，筒體和導(dǎo)向裝置的剛強(qiáng)度指標(biāo)是衡量發(fā)射筒設(shè)計(jì)水平的首要指標(biāo)，同時(shí)兼顧保證其精度指標(biāo)。

本文將復(fù)合材料應(yīng)用于導(dǎo)彈發(fā)射筒筒體、易碎蓋和導(dǎo)向裝置設(shè)計(jì)中，分析復(fù)合材料的使用對發(fā)射筒結(jié)構(gòu)和性能的影響。

2設(shè)計(jì)理論

2.1纖維纏繞的網(wǎng)格分析

纖維纏繞基本線型有螺旋纏繞、環(huán)向纏繞、平面纏繞、縱向纏繞四類，所組成的常用網(wǎng)格又可分為單一螺旋纏繞、螺旋加環(huán)向纏繞、螺旋加縱向纏繞、環(huán)向加縱向纏繞四類。

考慮工藝的可實(shí)現(xiàn)性，本文的發(fā)射筒筒體采用如圖1所示的螺旋加環(huán)向纏繞制成。螺旋加環(huán)向纖維纏繞圓筒在網(wǎng)格意義下的縱向和環(huán)向內(nèi)力分別為

…….………………………….（1）

式中，α為螺旋纏繞角，θ即纖維與發(fā)射筒筒體軸線的夾角；為環(huán)向纏繞角，取值為π/2；σα和σθ分別表示螺旋和環(huán)向纏繞纖維應(yīng)力；hα和σθ分別表示螺旋和環(huán)向纏繞纖維厚度。

圖1 螺旋加環(huán)向纏繞的網(wǎng)格單元

按照薄膜理論，發(fā)射筒筒體在導(dǎo)彈重力和法向過載的作用下，其軸向和環(huán)向內(nèi)力分別為

…….………………………………….（2）

式中，R為筒體半徑；P為筒體內(nèi)壁承受的最大壓強(qiáng)。

纖維纏繞筒體在網(wǎng)格意義上處于平衡時(shí)，有TZ=NZ，Tθ=Nθ。于是螺旋加環(huán)向纖維纏繞筒體在網(wǎng)格意義下的平衡方程為

…….…………………….（3）

在平衡型應(yīng)變狀態(tài)下，考慮螺旋和環(huán)向纖維采用同一種纖維，于是有σα=σθ=σ。式（3）變?yōu)椋?/p>

…….…………………….（4）

將（4）中的兩式相除，可得螺旋加環(huán)向纏繞網(wǎng)格的平衡條件為

…….……………………...（5）

其中 為環(huán)向纖維與螺旋厚度之比。式（5）解算可得

，由于λθα為厚度值，不能為負(fù)數(shù)，故 ，即α≤54.7°。

設(shè)纖維的斷裂應(yīng)力為σb，設(shè)計(jì)爆破壓強(qiáng)為Pb，由式（4）可以得出螺旋纏繞纖維和環(huán)向纏繞纖維的厚度分別為

………….……………………...（6）

2.2經(jīng)典層壓板理論的基本假設(shè)

本文的導(dǎo)向裝置采用層壓結(jié)構(gòu)，經(jīng)典層壓結(jié)構(gòu)有如下基本假設(shè)：

（1）假定層壓板的厚度與其他方向的尺寸相比較?。?/p>

（2）直法線假設(shè)：假定層壓板未受載前垂直于中面的法線變形后仍垂直于中面，即層間無滑移；

（3）等法線假設(shè)：假定層壓板中面的法線變形后長度不變，因而垂直于中面的應(yīng)變可以忽略不計(jì)。

3復(fù)合材料發(fā)射筒設(shè)計(jì)

在某導(dǎo)彈發(fā)射筒設(shè)計(jì)中，將復(fù)合材料技術(shù)主要應(yīng)用在筒體、前后蓋和導(dǎo)向裝置上，其中，筒體采用T300碳纖維復(fù)合材料纏繞成型，前后蓋采用聚氨酯泡和樹脂基玻璃纖維夾層結(jié)構(gòu)，導(dǎo)向裝置采用玻璃纖維鋪層成型再與筒體內(nèi)表面二次膠接。發(fā)射筒內(nèi)部采用適配器支撐導(dǎo)彈，為便于研究，將發(fā)射筒假定為壓力容器進(jìn)行研究，與滑動(dòng)適配器接觸的發(fā)射筒內(nèi)表面承壓最大。

根據(jù)工藝條件限制，設(shè)計(jì)筒體螺旋纏繞角為45°?？紤]發(fā)射筒運(yùn)輸過載、導(dǎo)彈燃?xì)饬鳑_擊等情況，發(fā)射筒設(shè)計(jì)爆破壓強(qiáng)為20MPa，按式（6）進(jìn)行計(jì)算，可得螺旋纏繞纖維厚度約為0.5mm，環(huán)向纏繞纖維厚度約為0.25mm。為了獲得較好的壓縮性能，纖維纏繞時(shí)會(huì)添加基體環(huán)氧樹脂，添加后復(fù)合材料筒體的密度為1.43g/cm3。由樹脂及碳纖維的密度可知樹脂基體的體積含量約為62%，纖維體積含量為38%，筒體的復(fù)合壁厚為hc=kf（hα+hθ），其中kf=1/Vf=1/0.38=2.6，則圓筒體的復(fù)合壁厚為1.95mm，考慮到纖維纏繞成型時(shí)，一般都存在纖維堆積和空隙等現(xiàn)象，所以實(shí)際壁厚往往比計(jì)算厚度厚約5%，取圓筒體的壁厚2.1mm。

發(fā)射筒前后蓋設(shè)計(jì)為復(fù)合材料泡沫夾層結(jié)構(gòu)，以高模量、高強(qiáng)度的玻璃纖維層壓板作為夾層結(jié)構(gòu)上下面板承擔(dān)彎曲載荷，利用密度較強(qiáng)的聚氨酯泡沫作為芯子部分起支撐面板和抗剪作用。玻璃纖維層壓板厚度為0.2mm，聚氨酯泡沫夾芯厚度為5mm，為保證蓋體平面各方向性能一致，上下面板的玻璃纖維層壓板采用準(zhǔn)各向同性鋪層方式。導(dǎo)向裝置呈細(xì)長條狀，采用玻璃纖維鋪層成型，同時(shí)需保證導(dǎo)向面的平面度，成型后通過二次膠接的形式固定在筒體內(nèi)表面正上方。

4結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)復(fù)合材料發(fā)射筒設(shè)計(jì)結(jié)果，相對于等厚度的鋁合金材料發(fā)射筒，發(fā)射筒減重超過30%。對復(fù)合材料發(fā)射筒進(jìn)行力學(xué)分析，在三個(gè)方向的過載下，擇取對發(fā)射筒性能影響較大的靜變形分析結(jié)果如表2所示。根據(jù)靜變形分析結(jié)果，復(fù)合材料發(fā)射筒的靜變形量在允許范圍內(nèi)，能滿足發(fā)射筒正常使用要求。

表2 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和鋁合金結(jié)構(gòu)的靜變形比較

5結(jié)論

將復(fù)合材料應(yīng)用于某輕質(zhì)導(dǎo)彈發(fā)射筒設(shè)計(jì)中，研究表明：與鋁合金材料發(fā)射筒比較，發(fā)射筒質(zhì)量可減輕至少30%，而性能仍可滿足使用要求。

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