PPS復(fù)合材料在空空導(dǎo)彈導(dǎo)引部件承力結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用研究

陳世鋒　湯曉云　姚達(dá)斌　曹旭東

摘要：? ? ? 本文以空空導(dǎo)彈導(dǎo)引部件中的承力結(jié)構(gòu)件放置艙骨架作為研究對(duì)象， 改進(jìn)放置艙骨架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)， 研究PPS復(fù)合材料注塑成型工藝， 成型制造PPS-GF40材料的放置艙骨架， 并在空空導(dǎo)彈導(dǎo)引部件的力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)條件下進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。 試驗(yàn)結(jié)果表明， 在模擬真實(shí)負(fù)載裝配的情況下， PPS-GF40放置艙骨架在力學(xué)試驗(yàn)完成后未發(fā)生影響功能的損傷與破壞。 該結(jié)果為導(dǎo)引部件的輕量化設(shè)計(jì)提供新的方向， 為PPS復(fù)合材料在空空導(dǎo)彈上的應(yīng)用提供工程依據(jù)。

關(guān)鍵詞：? ? ?空空導(dǎo)彈; 導(dǎo)引部件; 輕量化; PPS; 復(fù)合材料

中圖分類號(hào)：? ? ? TJ760.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：? ? A文章編號(hào)：? ? ?1673-5048（2020）02-0097-06

0引言

空空導(dǎo)彈的發(fā)射平臺(tái)和攻擊目標(biāo)都在高速運(yùn)動(dòng)。 其所攻擊的目標(biāo)種類多、 飛行速度高、 飛行高度范圍寬、 機(jī)動(dòng)能力強(qiáng)， 同時(shí)為便于載機(jī)攜帶， 要求空空導(dǎo)彈尺寸小[1]、 重量輕。 這對(duì)空空導(dǎo)彈的設(shè)計(jì)提出了很高的要求。 空空導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)質(zhì)量的增加， 不僅要影響導(dǎo)彈的性能， 還影響整個(gè)武器系統(tǒng)的性能。 質(zhì)量每增加1 kg， 載機(jī)的質(zhì)量就要增加7～10 kg[2]， 結(jié)構(gòu)質(zhì)量的減少， 就意味著有效載荷、 飛行速度和飛行距離的增加。 導(dǎo)引部件艙， 在結(jié)構(gòu)布局上處于全彈結(jié)構(gòu)的最前端， 其質(zhì)量和質(zhì)心分布直接影響全彈氣動(dòng)與控制設(shè)計(jì)， 在保證足夠的結(jié)構(gòu)剛度、 強(qiáng)度的情況下， 導(dǎo)引部件結(jié)構(gòu)質(zhì)量的輕量化設(shè)計(jì)對(duì)全彈的性能設(shè)計(jì)意義重大。

空空導(dǎo)彈的設(shè)計(jì)過程中結(jié)構(gòu)材料選用的主要原則是重量輕， 有足夠的強(qiáng)度、 剛度和斷裂韌性， 具有良好的環(huán)境適應(yīng)性、 加工性和經(jīng)濟(jì)性。 鎂合金受限于其表面處理的抗腐蝕能力[3]， 因此， 目前導(dǎo)引部件艙內(nèi)主要承力部件使用的都是鋁合金材料。 PPS復(fù)合材料常常被用來替代金屬， 具有低密度、? 耐高溫、 耐腐蝕、 耐磨、 高模量、 高強(qiáng)度、 高尺寸穩(wěn)定性、 成型加工性能好等特點(diǎn)[4]， 被廣泛應(yīng)用于電子電氣、 精密機(jī)械、 汽車以及航空、 航天、 艦船、 核工業(yè)等領(lǐng)域， 如波音、 空客客機(jī)的艙門、 機(jī)翼、 推進(jìn)器部件以及主梁部分使用了改性PPS復(fù)合材料;? M1A1坦克活塞、 活塞拉桿、 調(diào)速齒輪、 閥、 彈簧座、 推進(jìn)體等使用PPS復(fù)合材料， 共減重1.4 t， 降低制造成本30%; F-16戰(zhàn)斗機(jī)垂尾， “魚叉”導(dǎo)彈的鰭、 翼， F-35戰(zhàn)斗機(jī)的結(jié)構(gòu)件， “戰(zhàn)斧”巡航導(dǎo)彈的雷達(dá)天線罩、 進(jìn)氣道等也使用了PPS復(fù)合材料[5]。

PPS復(fù)合材料被廣泛應(yīng)用于新型武器裝備的制造和傳統(tǒng)武器裝備的技術(shù)更新改進(jìn)， 以替代傳統(tǒng)金屬、 陶瓷等材料[6]。 目前對(duì)PPS復(fù)合材料的應(yīng)用得益于復(fù)合材料的高剛度、 高強(qiáng)度、 耐磨、 防腐蝕、 高模量等特性， 主要用于非結(jié)構(gòu)承力件上， 鮮有關(guān)于PPS復(fù)合材料在武器裝備承力結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用研究及試驗(yàn)介紹。

經(jīng)過改性的PPS復(fù)合材料， 在強(qiáng)度、 剛度和沖擊韌性等性能參數(shù)上超過了導(dǎo)引部件用鋁合金， 但PPS復(fù)合材料作為一種工程塑料， 其成型件的整體力學(xué)性能受具體結(jié)構(gòu)形式、 注塑成型工藝條件的影響， 且其沖擊韌性在低溫條件會(huì)極大地降低， 而材料的沖擊韌性正是空空導(dǎo)彈在設(shè)計(jì)過程中必須要重點(diǎn)關(guān)注的問題之一。 因此， 開展PPS復(fù)合材料在導(dǎo)引部件承力結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用研究， 具有重要意義。

1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文是基于導(dǎo)引部件的現(xiàn)有結(jié)構(gòu)形式， 以PPS復(fù)合材料替代鋁合金成型產(chǎn)品， 滿足與現(xiàn)有鋁合金結(jié)構(gòu)件的通用性互換。 因此， 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須確定受力情況較為復(fù)雜的承力結(jié)構(gòu)件作為研究對(duì)象， 在不改變鋁合金結(jié)構(gòu)件的接口和其他結(jié)構(gòu)要素的前提下進(jìn)行局部結(jié)構(gòu)優(yōu)化， 既兼顧功能和接口的一致性， 又要考慮注塑模具拔模角、 成型件厚度的一致性、 注塑材料的流動(dòng)性等， 以確保注塑件的力學(xué)性能。

1.1典型承力結(jié)構(gòu)件的選擇

航空兵器2020年第27卷第2期陳世鋒， 等： PPS復(fù)合材料在空空導(dǎo)彈導(dǎo)引部件承力結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用研究放置艙骨架作為導(dǎo)引部件艙的重要結(jié)構(gòu)件之一， 起到固定艙內(nèi)各分機(jī)， 連接天線殼體和導(dǎo)引部件外殼體的作用， 其結(jié)構(gòu)如圖1所示。 放置艙骨架與天線殼體的連接由4個(gè)M5沉頭螺釘固定， 與導(dǎo)引部件外殼體的連接由周向4個(gè)M5的盤頭螺釘固定， 艙內(nèi)3個(gè)分機(jī)分別通過4個(gè)M3螺釘和2個(gè)（或4個(gè)）M2.5螺釘與放置艙骨架固定連接， 如圖2所示。 放置艙骨架承載受力情況復(fù)雜， 基本囊括了導(dǎo)引部件內(nèi)部所有類型的受力與連接方式。

理論上， PPS復(fù)合材料的密度為1.65～1.80 g/cm3， 鋁合金材料密度為2.73 g/cm3， 對(duì)于相同體積的結(jié)構(gòu)件， 使用PPS復(fù)合材料代替鋁合金， 可以實(shí)現(xiàn)減重34%～40%。 本文研究的PPS復(fù)合材料放置艙骨架， 鋁合金件的重量為612 g， PPS復(fù)合材料制品（包含螺紋鑲嵌件）的重量為402 g， 實(shí)現(xiàn)減重34.3%。

一般情況下， 放置艙骨架由鋁合金3A21成型， 先將鋁合金3A21機(jī)加成零件， 再通過火焰釬焊將零件焊接成型。? 放置艙的正常排產(chǎn)交付周期約為3～4個(gè)月， 但由于焊接變形， 導(dǎo)致焊接后產(chǎn)品合格率通常約90%。

因此， 選用PPS復(fù)合材料成型放置艙骨架， 不僅可以實(shí)現(xiàn)此承力結(jié)構(gòu)件減重， 還可以縮短交付周期， 降低批產(chǎn)成本， 提升合格率。

1.2PPS材料及性能測(cè)試

PPS復(fù)合材料的密度小， 比強(qiáng)度高， 加工性能優(yōu)異， 可以采用注塑、 擠出、 壓制、 燒結(jié)、 壓延等方法進(jìn)行成型加工， 并可對(duì)塑料件進(jìn)行二次加工 [7]。 一般應(yīng)用較為廣泛的成型技術(shù)是注塑成型， 由于成型尺寸收縮率低， 尺寸穩(wěn)定性好， 在熔融狀態(tài)下流動(dòng)性好， 正壓下易填充模具， 具有高抗蠕變性， 通過合理的工裝和模具設(shè)計(jì)， 制造高精度、 輕量化的結(jié)構(gòu)件， 并通過數(shù)控加工， 對(duì)安裝接口進(jìn)行二次加工， 滿足更高等級(jí)尺寸精度需求。 同時(shí)， 注塑成型工藝具有高效穩(wěn)定的特點(diǎn)， 適合批量生產(chǎn)， 模具成型后生產(chǎn)效率高、 交付周期短、 質(zhì)量穩(wěn)定、 成本低。

放置艙骨架上共包含8個(gè)M5螺紋孔， 12個(gè)M3螺紋孔， 8個(gè)M2.5螺紋孔。 PPS復(fù)合材料的螺紋可以直接注塑成型， 也可以后加工成型， 但是考慮到螺紋孔的受力情況和經(jīng)常拆裝， 所有螺紋孔均通過鑲嵌金屬螺套的方法實(shí)現(xiàn)， 以保證螺紋的使用壽命。 結(jié)合放置艙骨架的結(jié)構(gòu)特征， 為保證其成型后力學(xué)性能達(dá)到最優(yōu)， PPS復(fù)合材料的放置艙骨架采用模具注塑成型工藝。 其主要通過注射機(jī)和模具完成， 能加工外形復(fù)雜、 尺寸精確， 帶有鑲嵌件的制品。

由于該P(yáng)PS復(fù)合材料放置艙骨架是對(duì)現(xiàn)有鋁合金結(jié)構(gòu)件的替換， 研究初期注塑模具的設(shè)計(jì)在最大化地還原鋁合金結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)， 適當(dāng)?shù)卦黾影文＝牵?并根據(jù)廠家提供的模具溫度等信息進(jìn)行注塑成型， 成型的PPS復(fù)合材料放置艙骨架在掛飛試驗(yàn)的第14 min出現(xiàn)碎裂。 通過對(duì)破碎機(jī)理和注塑工藝進(jìn)行研究， 優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝過程以獲取最優(yōu)的力學(xué)性能。

PPS是結(jié)晶性樹脂， PPS制品的尖角及壁厚變化部位將產(chǎn)生應(yīng)力集中， 并在這些部位易發(fā)生開裂、 尺寸變化、 強(qiáng)度（沖擊強(qiáng)度）下降[8]。 雖然PPS復(fù)合材料對(duì)PPS的原有特性進(jìn)行了改進(jìn)增強(qiáng)， 但依然具有PPS材料的結(jié)晶性特性， 在保持放置艙骨架原有結(jié)構(gòu)功能的前提下， 對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)： ①在不改變放置艙骨架原有結(jié)構(gòu)功能的情況下， 在適當(dāng)?shù)奈恢迷黾拥箞A角達(dá)到過渡圓滑， 如圖3所示， 對(duì)放置艙骨架厚度變化處以及所有的角部位增加倒圓角， 在設(shè)計(jì)上消除殘余應(yīng)力， 改善物料流動(dòng)性， 保證成型過程收縮率的一致性; ②對(duì)厚度集中區(qū)域進(jìn)行局部均勻化處理， 如圖4所示， 對(duì)加強(qiáng)筋局部結(jié)構(gòu)優(yōu)化， 減小最厚區(qū)域與最薄區(qū)域的厚度差， 實(shí)現(xiàn)整體厚度的均衡， 達(dá)到改善局部應(yīng)力集中的目的， 提高注塑結(jié)構(gòu)件的整體力學(xué)性能。

PPS材料本身易脆、 沖擊韌性不高， 而PPS與無機(jī)填料、 增強(qiáng)纖維的親和性及與其他高分子材料的相容性好， 經(jīng)過填充改性后， 其拉伸強(qiáng)度、 彎曲強(qiáng)度、 彎曲模量、 沖擊強(qiáng)度和熱變形溫度等性能均得到明顯的提高[9]。 PPS復(fù)合材料的增強(qiáng)填料有很多， 如玻璃纖維、 碳纖維、 石墨、 陶瓷等[10]， 采用玻璃纖維增強(qiáng)PPS是一種極為有效且方便、 經(jīng)濟(jì)的方法， 合適比例的玻璃纖維增強(qiáng)PPS復(fù)合材料， 能達(dá)到和鋁合金相當(dāng)?shù)膹?qiáng)度和韌性。

本文根據(jù)廠家提供的PPS復(fù)合材料的力學(xué)參數(shù)， 初步篩選出滿足需求的40%玻璃纖維增強(qiáng)PPS（PPS-GF40）和60%玻璃纖維礦物質(zhì)增強(qiáng)PPS（PPS-GM60）。? 為了獲得最優(yōu)力學(xué)性能的PPS復(fù)合材料放置艙骨架， 在廠家推薦的模具溫度（典型值130 ℃）、 壓力（5～20 MPa）等范圍內(nèi)， 以相同的工藝條件（130 ℃， 13.5 MPa）分別對(duì)兩種材料進(jìn)行力學(xué)試片制作， 并選擇和廠家測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)不一樣的美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ASTM進(jìn)行試片的力學(xué)測(cè)試， 相關(guān)測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

PPS材料作為一種熱塑性的高性能高分子材料， 由于其分子量的分散性， 導(dǎo)致其力學(xué)性能的數(shù)據(jù)一般較分散。 從試驗(yàn)結(jié)果看， 兩種材料的拉伸強(qiáng)度、 彎曲強(qiáng)度、 沖擊強(qiáng)度的測(cè)試數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差較小， 表明其離散性較小。 但總體來說， PPS-GF40材料的密度較小， 沖擊強(qiáng)度較高， 綜合性能較優(yōu)， 因此， 選用PPS-GF40作為放置艙骨架的成型材料。

2PPS-GF40放置艙骨架成型

PPS的結(jié)晶性特性導(dǎo)致其PPS制品的結(jié)晶度直接影響制品的結(jié)構(gòu)尺寸和力學(xué)性能， 其成型收縮率、 沖擊強(qiáng)度、 耐蠕變性及耐候性等特性均受結(jié)晶度所左右[11-12]， 因此， PPS復(fù)合材料在注塑成型過程中， 控制模具溫度以提高材料的結(jié)晶度[13]， 進(jìn)而能提高成型產(chǎn)品的沖擊強(qiáng)度。

基于放置艙骨架的結(jié)構(gòu)特征， 為達(dá)到脫模容易、 較高的表面粗糙度、 高結(jié)晶度、 高熱變形溫度、 高尺寸穩(wěn)定性以及合適的強(qiáng)度， 選用120～180 ℃的高溫模具。 為了達(dá)到放置艙骨架的韌性最好， 沖擊彎曲強(qiáng)度最優(yōu)的目標(biāo)， 細(xì)化其模具溫度范圍， 以選擇最合適的模具溫度。

使用PPS-GF40材料制作試片， 測(cè)試在不同的模具溫度（其他工藝條件相同）情況下試片的沖擊強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度， 如表2所示。 廠家對(duì)試片的測(cè)試基于國(guó)際ISO標(biāo)準(zhǔn)， 而測(cè)試數(shù)據(jù)基于國(guó)標(biāo)測(cè)試條件獲得。 由于缺少國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試設(shè)備， 所以無法用測(cè)試結(jié)果與廠家數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比， 但并不影響測(cè)試數(shù)據(jù)之間的對(duì)比和對(duì)模具溫度的分析。

廠家對(duì)PPS-GF40材料注塑成型的模具溫度要求為120～150 ℃， 典型值為130 ℃。 即在模具溫度為135±15 ℃時(shí)， 成型的試片均能達(dá)到較好的力學(xué)性能; 從測(cè)試結(jié)果來看， 當(dāng)模具溫度分別在125 ℃、 135 ℃和145 ℃時(shí)， 沖擊強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度均呈現(xiàn)中間高兩端低的趨勢(shì)。 在135 ℃模溫下， 沖擊強(qiáng)度較125 ℃和145 ℃均高出約6.17%; 彎曲強(qiáng)度較125 ℃高出約5.14%， 較145 ℃高出約2.92%。 綜上所述， PPS-GF40放置艙骨架注塑模溫應(yīng)該控制在135 ℃左右。

3力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)

3.1試驗(yàn)概況

PPS樹脂材料經(jīng)過改性玻璃纖維增強(qiáng)后， 其力學(xué)性能有較大的提升， 尤其是韌性得到極大的改善。 PPS復(fù)合材料（PPS-GF40）作為特種工程塑料， 其韌性差的特征在低溫下會(huì)更加突出， 其沖擊強(qiáng)度隨溫度下降而降低[14]。 由于空空導(dǎo)彈的平臺(tái)特性和運(yùn)動(dòng)特性， 其韌性在低溫下是否滿足試驗(yàn)要求是本次試驗(yàn)要考核的重點(diǎn)內(nèi)容之一。

根據(jù)某空空導(dǎo)彈導(dǎo)引部件的試驗(yàn)項(xiàng)目和試驗(yàn)方法， 分別進(jìn)行溫度沖擊、 室溫下的點(diǎn)火沖擊、 功能性沖擊、 自主飛振動(dòng)、 掛飛耐久振動(dòng)、 機(jī)動(dòng)飛振動(dòng)、 運(yùn)輸?shù)湓囼?yàn)， 并分別在高溫（75 ℃）、 低溫（-50 ℃）環(huán)境下的進(jìn)行自主飛振動(dòng)、 掛飛耐久振動(dòng)、 機(jī)動(dòng)飛振動(dòng)和功能性沖擊試驗(yàn)， 考核注塑成型的PPS-GF40材料放置艙骨架的力學(xué)性能。

為了盡可能地暴露PPS-GF40材料放置艙骨架的缺陷， 試驗(yàn)項(xiàng)目的覆蓋面較廣， 有些試驗(yàn)項(xiàng)目具有加強(qiáng)破壞的性質(zhì)。 因此， 試驗(yàn)用導(dǎo)引部件的分機(jī)產(chǎn)品使用模擬結(jié)構(gòu)件替代裝配， 模擬結(jié)構(gòu)件與產(chǎn)品本身具有相同的體積、 質(zhì)量、 質(zhì)心和結(jié)構(gòu)安裝接口， 模型與實(shí)物裝配圖如圖5所示。

3.2試驗(yàn)過程及結(jié)果分析

按照各個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目的試驗(yàn)條件和方法分別進(jìn)行試驗(yàn)考核， 若某試驗(yàn)項(xiàng)目的試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)反饋傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異常， 則停止試驗(yàn)并拆機(jī)。

依次進(jìn)行溫度沖擊、 常溫下的點(diǎn)火沖擊、 功能性沖擊、 掛飛耐久振動(dòng)、 自主飛振動(dòng)、 機(jī)動(dòng)飛振動(dòng)、 加速度試驗(yàn)、 運(yùn)輸?shù)湓囼?yàn)以及高溫（75 ℃）和低溫（-50 ℃）環(huán)境下的自主飛振動(dòng)、 掛飛耐久振動(dòng)、 機(jī)動(dòng)飛振動(dòng)和功能性沖擊試驗(yàn)， 在整個(gè)試驗(yàn)過程中，? 未對(duì)試驗(yàn)用模擬導(dǎo)引部件進(jìn)行任何拆解變動(dòng)， 經(jīng)過逐次試驗(yàn)歷程， 監(jiān)測(cè)傳感器數(shù)據(jù)均未發(fā)現(xiàn)任何異常。 所有考核試驗(yàn)結(jié)束后， 對(duì)導(dǎo)引部件和各分機(jī)進(jìn)行拆解觀察， PPS-GF40材料放置艙骨架完好， 所有連接緊固螺釘均未見松動(dòng)， 放置艙骨架的結(jié)構(gòu)尺寸無明顯的變形， 前、 后法蘭以及中間連接座的表面無裂紋， 所有鑲嵌不銹鋼螺套的結(jié)合處均無損傷， 如圖6所示。

放置艙骨架和配重塊裝配接觸面處能見到明顯的壓痕， 但無明顯凸凹感， 如圖7所示。 由于整個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目的歷程較長(zhǎng)， 總共下來超過3個(gè)月， 模擬導(dǎo)引部件及各分機(jī)均未拆卸， 且試驗(yàn)項(xiàng)目中個(gè)別項(xiàng)目屬于具有破壞性質(zhì)的可靠性考核試驗(yàn)， 此處壓痕為配重分機(jī)與PPS-GF40材料放置艙骨架接觸面在經(jīng)歷一系列環(huán)境試驗(yàn)時(shí)產(chǎn)生的。

以上的試驗(yàn)項(xiàng)目， 基本覆蓋了導(dǎo)引部件研制、 交付過程以及可靠性考核的所有力學(xué)試驗(yàn)， 部分試驗(yàn)中對(duì)試驗(yàn)量級(jí)進(jìn)行了加強(qiáng)， 以放大PPS-GF40材料韌性差的缺點(diǎn)。 試驗(yàn)結(jié)果證明， PPS復(fù)合材料通過了力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)考核。

4結(jié)論

本文采用注塑成型技術(shù)制成了PPS-GF40放置艙骨架， 并依據(jù)某空空導(dǎo)彈導(dǎo)引部件環(huán)境試驗(yàn)條件和試驗(yàn)方法對(duì)放置艙骨架進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)考核， 歷經(jīng)一系列試驗(yàn)項(xiàng)目后放置艙骨架仍保持完好的結(jié)構(gòu)完整性， 證明了PPS-GF40放置艙骨架具有較好的剛度、 強(qiáng)度和韌性等， 滿足空空導(dǎo)彈導(dǎo)引部件的力學(xué)需求， 能夠使用于空空導(dǎo)彈導(dǎo)引部件的承力結(jié)構(gòu)件的制造成型。 但是， PPS復(fù)合材料作為一個(gè)新材料使用在空空導(dǎo)彈上， 其壽命是否能滿足空空導(dǎo)彈貯存壽命需求[15]， 仍需要通過老化壽命試驗(yàn)加以證明。

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Abstract： In this paper， the support structure of? airtoair missile seeker is taken as the research object， the structural design of the frame is improved， the injection molding process of PPS composite material is studied， the frame of PPSGF40 material is manufactured， and the test is carried out under the force environment test condition of the airtoair missile seeker.The test results show that under the condition of simulating the real load assembly， PPSGF40 electronic cabin frame has no damage? to its function after the mechanical test.The results provide a new direction for the lightweight design of guidance components and engineering basis for the application of PPS composite material in airtoair missiles.

Key words： airtoair missile; seeker; lightweight; PPS; composite material