推臂用碳纖維復合材料性能分析與工藝研究*

張云露，張士衛(wèi)，藺紹玲

(中國空空導彈研究院，河南 洛陽 471009)

空空導彈是現(xiàn)代戰(zhàn)爭中爭奪制空權(quán)的首要武器。機載彈射發(fā)射裝置作為該武器系統(tǒng)的重要組成部分[1]，主要用于懸掛、運載和發(fā)射各型空空導彈。它不僅影響載機的機動性能和導彈裝載數(shù)量，還在一定程度上影響載機的可持續(xù)戰(zhàn)斗時間[2]。機載彈射發(fā)射裝置輕量化設(shè)計是現(xiàn)階段機載武器系統(tǒng)的重點研究方向之一[3]。

碳纖維復合材料由于具有比強度高、比剛度高、整體成型性和可設(shè)計性好的特點，被稱為復合材料中的“黑色黃金”[4-5]，廣泛應用于航空領(lǐng)域。在軍用飛機方面，國外先進戰(zhàn)斗機的碳纖維復合材料使用量已達到25%～30%，如F-22“猛禽”戰(zhàn)斗機的碳纖維復合材料占22%，F(xiàn)-35 “閃電Ⅱ”聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機的碳纖維復合材料為36%，B-2“黑鳥”隱形轟炸機的碳纖維復合材料甚至接近了50%[6-7]。在民用飛機方面，國外大型客機上的碳纖維復合材料甚至超過50%，如空客A350XWB寬體客機機身碳纖維達到52%；此外，該飛機的機翼蒙皮、桁條、前后翼梁等主要零部件均為碳纖維復合材料。國內(nèi)航空復合材料經(jīng)過了近30余年的發(fā)展，走過了一條由非承力構(gòu)件到次承力構(gòu)件，再到主承力構(gòu)件應用的道路[8-9]，但碳纖維復合材料在彈射發(fā)射裝置上的應用起步較晚，輕量化設(shè)計已成為發(fā)射裝置設(shè)計的瓶頸[10-11]；因此，探索碳纖維復合材料在復雜外形、承受復雜載荷推臂上的應用可行性，對于指導機載彈射發(fā)射裝置輕量化設(shè)計、推動碳纖維復合材料在彈射發(fā)射裝置上的工程化應用具有重要意義。

1 試驗材料與方法

1.1 碳纖維復合材料性能

碳纖維復合材料選用日本東麗T700碳纖維作為纖維增強材料，碳纖維復合材料體系性能數(shù)據(jù)見表1?；w材料為中溫固化環(huán)氧樹脂，其基本性能見表2。采用樹脂傳遞模塑(RTM)成型工藝，制成了碳纖維復合材料標準樣件，其力學性能見表3。

表1 碳纖維復合材料體系力學性能

表2 樹脂基體基本性能

表3 碳纖維復合材料力學性能

1.2 推臂結(jié)構(gòu)設(shè)計

推臂作為機載彈射發(fā)射裝置的典型構(gòu)件實現(xiàn)機構(gòu)的打開及回收，其是彈射機構(gòu)的重要組成部分。推臂結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，其中，孔A受水平力，孔C受向上垂直力，孔B由6個自由度約束。

圖1 推臂結(jié)構(gòu)示意圖

推臂在工作角度下承受的強度校核見表4。

表4 推臂強度校核

應用 ABAQUS有限元軟件對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計合理性進行驗證，預測結(jié)構(gòu)失效薄弱環(huán)節(jié)。推臂的側(cè)壁主承力區(qū)采用六面體單元，兩端端頭和中間實體部分采用四面體單元(見圖2)。

圖2 推臂有限元網(wǎng)格化分

1.3 碳纖維復合材料RTM成型

推臂碳纖維復合材料選用0°、45°、-45°和90°等4種鋪層角度，鋪層順序為：0/45/-45/O3/45/0/45/0/90/0/45/O2/-45/O2/90/O3/45/O2/45/O3/-45/O2/45/90/O245/O2/-45/O2/45/O2，鋪層比例見表5，成型工藝過程如圖3所示。

表5 碳纖維鋪層比例

圖3 推臂RTM成型工藝過程

1.4 推臂靜載試驗及工藝改善

推臂靜載試驗及工藝改善實施步驟如下：首先，通過試驗夾具，將支撐臂與推臂進行組合裝配，獲得試驗件1(見圖4)；然后，根據(jù)有限元分析對結(jié)構(gòu)失效部位的預測結(jié)果，在薄弱部位粘貼應變片，并按表6所示力值以2 mm/min速度進行加載，獲得應變測量結(jié)果，試驗過程如圖5所示；最后，針對靜載試驗失效部位的失效模式，結(jié)合RTM制作工藝及結(jié)構(gòu)開展失效分析，逐步完善推臂RTM成型工藝，并開展極限破壞試驗，以驗證改進后的碳纖維復合材料在推臂上推廣應用的可行性。

圖4 推臂靜載試驗件1

表6 試驗件1加載力值與應變要求

圖5 靜載試驗

2 結(jié)果與討論

2.1 有限元分析結(jié)果

結(jié)合推臂工作載荷情況，通過有限元分析，獲得了推臂在工作角度30°下的應變分布情況(見圖6)，其中，最大拉應變、最大壓應變結(jié)果見表7。

圖6 推臂工作角度下的應變分布

表7 推臂最大應變有限元數(shù)值

根據(jù)強度校核計算結(jié)果可知，各推臂結(jié)構(gòu)在載荷條件下均滿足強度設(shè)計指標要求。推臂失效薄弱部分均分布在工字梁T型過渡處，可用于指導后續(xù)靜載試驗應變片粘貼位置選擇，以實現(xiàn)對重點部位的應變監(jiān)控。

2.2 推臂靜載試驗

2.2.1 靜載試驗一

根據(jù)有限元分析對推臂結(jié)構(gòu)失效薄弱部位的預測，在推臂工字梁T型接頭過渡處粘貼應變片(見圖7)，對應的應變、位移測量結(jié)果見表8。當載荷加至14 kN時，試驗件1在大頭三角區(qū)發(fā)生了分層破壞(見圖8)。

圖7 推臂應變片粘貼位置

表8 試驗件1加載力值與應變、位移測量結(jié)果

圖8 推臂三角區(qū)分層破壞

從試驗結(jié)果可知，工藝缺陷可能使非最大受力區(qū)域由于應變過大產(chǎn)生分層破壞繼而失效，復合材料的理論強度校核只能作為參考，容易產(chǎn)生工藝缺陷的部位還需重點關(guān)注。

2.2.2 靜載試驗二

通過對分層部位進行材料失效分析，改善鋪層工藝，重新制得試驗件2。在試驗件2工字梁T型接頭過渡處和三角區(qū)域粘貼應變片，對應的應變、位移測量結(jié)果見表9。加載到28～29 kN時發(fā)生開裂破壞，破壞部位如圖9所示。

表9 試驗件2加載力值與應變、位移測量結(jié)果

圖9 試驗件2靜載試驗破壞部位

試驗結(jié)果表明，推臂產(chǎn)品發(fā)生裂紋處與理論計算的高應變區(qū)基本一致，鋪層改進的工藝缺陷區(qū)未發(fā)現(xiàn)異常，說明工藝缺陷區(qū)的鋪層改進方案提升了材料性能，滿足使用要求。

2.2.3 靜載試驗三

通過對分層部位進行材料失效分析，改善鋪層工藝并制得試驗件3。本次試驗針對試驗件2新的破壞點，進行重點監(jiān)測，增加應變監(jiān)測(應變片2)對推臂進行靜載試驗，結(jié)果如圖10所示。試驗原理和方法參照靜載試驗二，加載至32 kN(1.6F)時推臂未出現(xiàn)任何破壞現(xiàn)象。

圖10 推臂應變片粘貼位置

試驗結(jié)果表明，在工字梁區(qū)域調(diào)整填充量可有效避免工藝缺陷產(chǎn)生。進行工藝改進后，制造的推臂達到了安全使用要求，使產(chǎn)品合格率得到大幅提升。

2.3 材料失效分析與RTM工藝改善

2.3.1 推臂端部三角區(qū)分層失效分析及工藝改善

在設(shè)計方面，端部三角區(qū)鋪層設(shè)計不合理，部分纖維不連續(xù)，由于三角區(qū)大部分存在于有效傳載路徑上，因而容易發(fā)生失效。在工藝操作方面，存在織物未熨平等工藝缺陷，導致局部有快速流道，部分平直纖維被頂彎，降低了部件的力學性能。

通過調(diào)整三角區(qū)纖維鋪層，使纖維鋪放路徑平直，有利于將工藝三角區(qū)從有效載荷傳遞路徑上移開，以降低產(chǎn)品強度對工藝缺陷的敏感度；同時，降低了產(chǎn)品的應變，提高了產(chǎn)品的可靠性。三角區(qū)工藝改進前后如圖11所示。

圖11 三角區(qū)工藝改進前后示意圖

2.3.2 推臂工字梁失效分析及工藝改善

工字梁部位的過渡區(qū)是零件靜載和疲勞破壞的薄弱點，鋪層時應重點關(guān)注過渡區(qū)填充，對填充量嚴格控制，避免因填充過多造成纖維褶皺或填充不足，從而形成快速流道和孔隙缺陷；同時，應確保工字梁中間有部分纖維連續(xù)到側(cè)梁部分，以有效傳遞載荷。工藝改進前后的過渡區(qū)鋪層示意圖如圖12所示。進行工藝改進后，制造的推臂達到了安全使用要求。

圖12 工字梁過渡部位工藝改進前后示意圖

2.4 推臂極限破壞試驗

按照改進工藝制作推臂試驗件，在工作角度下進行極限破壞試驗。推臂在壓應變最大區(qū)域發(fā)生材料破壞，破壞時的最小載荷為1.9倍工作載荷，滿足了彈射裝置安全裕設(shè)計要求。

3 結(jié)語

通過上述研究，得出結(jié)論如下。

1)根據(jù)數(shù)值模擬計算，碳纖維復合材料制成的推臂結(jié)構(gòu)在載荷條件下均滿足強度設(shè)計指標要求，工字梁T型過渡部位是靜載試驗失效破壞的薄弱環(huán)節(jié)。

2)針對推臂進行的3次靜載試驗，除工字梁T型過渡部位，工藝缺陷區(qū)域在未達到材料拉伸強度時就提前發(fā)生分層破壞繼而失效。

3)通過調(diào)整端部三角區(qū)纖維鋪層，讓纖維鋪放路徑盡量平直，可以分散端部結(jié)構(gòu)受力，降低產(chǎn)品強度對工藝缺陷的敏感度；工字梁部位的過渡區(qū)是零件靜載和疲勞破壞的薄弱點，鋪層時重點關(guān)注過渡區(qū)填充，對填充量嚴格控制，避免因填充過多造成纖維褶皺或填充不足，從而形成快速流道和孔隙缺陷，同時確保碳纖維連續(xù)性。

4)改進工藝后的碳纖維復合材料滿足推臂結(jié)構(gòu)設(shè)計要求，與鋁合金相比，可實現(xiàn)減重1/3，研究內(nèi)容可為該材料在機載彈射發(fā)射裝置上的推廣應用提供理論指導和依據(jù)。

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