某型發(fā)射裝置復(fù)合材料推臂結(jié)構(gòu)輕量化研究*

何 潔，黃益民，劉 彬，梁攀攀

(1.中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽(yáng) 471009； 2. 陸裝駐洛陽(yáng)地區(qū)航空軍事代表室，河南 洛陽(yáng) 471009)

0 引 言

未來(lái)高性能戰(zhàn)機(jī)對(duì)結(jié)構(gòu)重量的要求會(huì)越來(lái)越苛刻，因此輕量化材料在新型戰(zhàn)機(jī)中的應(yīng)用也越來(lái)越多，大量應(yīng)用具有優(yōu)異比強(qiáng)度、比剛度以及結(jié)構(gòu)、性能可設(shè)計(jì)性的先進(jìn)復(fù)合材料已經(jīng)成為一種趨勢(shì)[1]。

機(jī)載發(fā)射裝置一般多采用鋁合金或不銹鋼，其中大多選用硬鋁型材作為主承力件和次承力件，僅靠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)減重太過(guò)被動(dòng)局限，而選用比強(qiáng)度高出鋁合金6～10倍、比模量高出4倍的復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)減重的目標(biāo)就相對(duì)容易很多。機(jī)載彈射發(fā)射裝置輕量化設(shè)計(jì)是現(xiàn)階段機(jī)載武器系統(tǒng)的重點(diǎn)研究方向之一[2]。

目前，美國(guó)MMS公司研制的武裝直升機(jī)采用復(fù)合材料發(fā)射架，重量比金屬材料發(fā)射架減重約50%，且已通過(guò)軍用標(biāo)準(zhǔn)810 h的嚴(yán)格測(cè)試[3]；英國(guó)Cobham公司研制的新一代導(dǎo)彈發(fā)射架AML(Advanced Missile Launcher)，其前、后整流罩均選用復(fù)合材料，整個(gè)發(fā)射架重量≤30 kg，比同類(lèi)金屬材料的發(fā)射架要輕30%[4]；美國(guó)Raytheon公司研制復(fù)合材料發(fā)射架導(dǎo)軌，用增強(qiáng)材料和多層結(jié)構(gòu)提高發(fā)射架的耐疲勞、耐腐蝕性能[5]。國(guó)內(nèi)方面，復(fù)合材料在機(jī)載發(fā)射裝置領(lǐng)域的應(yīng)用還不夠成熟，目前的研究還需要經(jīng)過(guò)大量的試驗(yàn)驗(yàn)證才能應(yīng)用于實(shí)際工程中。對(duì)于發(fā)射裝置而言，其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)[6]。因此，發(fā)射裝置的輕量化設(shè)計(jì)研究已刻不容緩。

筆者以某型機(jī)載彈射發(fā)射裝置的碳纖維復(fù)合材料推臂為研究對(duì)象，建立了復(fù)材推臂的有限元模型，進(jìn)行了強(qiáng)度仿真計(jì)算，隨后對(duì)其進(jìn)行了靜力拉伸試驗(yàn)，并跟隨整機(jī)進(jìn)行了彈射試驗(yàn)和環(huán)境試驗(yàn)等，從而驗(yàn)證了該復(fù)材推臂滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，為機(jī)載發(fā)射裝置的輕量化設(shè)計(jì)研究奠定了基礎(chǔ)。

1 推臂結(jié)構(gòu)數(shù)值模型

1.1 推臂結(jié)構(gòu)組成

機(jī)載彈射發(fā)射裝置中，主推臂與副推臂組成彈射機(jī)構(gòu)，用以將導(dǎo)彈安裝固定在發(fā)射裝置上，并實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)彈的懸掛運(yùn)載和彈射；彈射過(guò)程結(jié)束時(shí)，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈分離；導(dǎo)彈分離后，保證重新回到運(yùn)輸狀態(tài)，并鎖緊固定。文中選取的推臂作為副推臂，用來(lái)支撐主推臂，如圖1所示。為保證彈射機(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(100 ms)的面內(nèi)壓縮載荷。

圖1 復(fù)合材料推臂結(jié)構(gòu)模型

文中選用的推臂鋁合金試驗(yàn)件已通過(guò)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的驗(yàn)證，基于原鋁合金模型，該結(jié)構(gòu)連接接頭處將采用混合結(jié)構(gòu)，即在接頭處鋁合金結(jié)構(gòu)作為主承力結(jié)構(gòu)，通過(guò)膠接加螺栓連接將主承力鋁合金接頭與復(fù)合材料主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接，傳遞載荷，同時(shí)在接頭附近區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)，降低結(jié)構(gòu)應(yīng)變水平，使結(jié)構(gòu)在給定載荷條件下滿(mǎn)足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

1.2 材料參數(shù)

根據(jù)發(fā)射裝置推臂的載荷要求，推臂主承力的連續(xù)纖維區(qū)域采用日本東麗T700碳纖維單向帶(牌號(hào)U7190)鋪層，根據(jù)工藝可制造性，表面結(jié)構(gòu)采用平紋碳布(牌號(hào)CF3011)。采用樹(shù)脂傳遞模塑(RTM)成型工藝，樹(shù)脂基體采用中溫固化環(huán)氧樹(shù)脂(牌號(hào)XY3261)，材料力學(xué)性能如表1所列。

表1 U7190/XY3261復(fù)合材料力學(xué)性能

推臂復(fù)材選用0°、-45°、45°、90°的4種鋪層角度，在連續(xù)鋪層區(qū)，鋪層順序?yàn)椋篬0/45/-45/02/45/03/45/0/90/0/45/03/-45/02/90/03/45/02/45/03/-45/02/45/90/0345/02/-45/03/45/02]，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%。

基于航空航天部門(mén)復(fù)合材料的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)本結(jié)構(gòu)選材而言，壓縮強(qiáng)度許用值為4 500 με，拉伸強(qiáng)度許用值為5 000 με是相對(duì)合理的，也是相對(duì)保守的。

1.3 網(wǎng)格劃分及邊界條件

在復(fù)材推臂的建模過(guò)程中，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，按照復(fù)合材料鋪層定義進(jìn)行單元的屬性定義，兩端端頭和中間的實(shí)體部分采用四面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，按照各向同性材料進(jìn)行單元定義，有限元模型如圖2所示。

圖2 推臂有限元模型圖3 推臂加載模型

對(duì)復(fù)材推臂裝配孔或者載荷施加孔處，均采用位移耦合單元進(jìn)行位移約束或者載荷施加，推臂邊界條件為左端加固定約束(U1=U2=U3=0)，受力可簡(jiǎn)化為沿軸向承受78 kN的壓縮載荷，如圖3所示。

1.4 推臂計(jì)算結(jié)果

對(duì)復(fù)合材料推臂計(jì)算，應(yīng)變?cè)茍D如圖4所示。

圖4 復(fù)合材料推臂計(jì)算結(jié)果

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，推臂失效薄弱部分均分布在工字梁T型過(guò)渡處，最大拉應(yīng)變?yōu)? 131 με，最大壓應(yīng)變?yōu)? 272 με?？紤]計(jì)算結(jié)果為點(diǎn)應(yīng)變，除應(yīng)力集中點(diǎn)外，其余部分最大應(yīng)變?cè)? 000 με以?xún)?nèi)。根據(jù)強(qiáng)度校核計(jì)算結(jié)果可知，推臂在載荷條件下滿(mǎn)足強(qiáng)度設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

按照同樣的載荷要求計(jì)算同結(jié)構(gòu)的原鋁合金材料推臂，應(yīng)變?cè)茍D變化趨勢(shì)一致，說(shuō)明該復(fù)材推臂經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和鋪層設(shè)計(jì)后，其整體載荷的分配比較合理，可判斷推臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和鋪層設(shè)計(jì)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

2 靜力試驗(yàn)

本試驗(yàn)的目的主要是考核復(fù)材推臂的承載能力，同時(shí)驗(yàn)證該推臂是否滿(mǎn)足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。試驗(yàn)件為T(mén)700/樹(shù)脂基復(fù)材推臂。本試驗(yàn)采用的試驗(yàn)設(shè)備如表2所列。

表2 試驗(yàn)設(shè)備一覽表

將主推臂和副推臂組成一組試驗(yàn)件，在拉/壓試驗(yàn)臺(tái)上加裝后如圖5所示。將推臂用專(zhuān)用夾具固定在試驗(yàn)臺(tái)上，以2 mm/min的速度加載，對(duì)兩軸施加壓縮載荷并進(jìn)行測(cè)試。

圖5 推臂力學(xué)試驗(yàn)

通過(guò)應(yīng)變片監(jiān)測(cè)推臂危險(xiǎn)區(qū)域的應(yīng)變來(lái)判斷其承載能力，載荷與應(yīng)變結(jié)果如表3所列。

表3 試驗(yàn)件加載力值與應(yīng)變測(cè)量結(jié)果

將A、B、C點(diǎn)的應(yīng)變值進(jìn)行分析對(duì)比，應(yīng)變與加載力值之間的關(guān)系如圖6所示。

圖6 復(fù)材推臂A、B、C點(diǎn)加載率-應(yīng)變曲線

試驗(yàn)結(jié)果表明，復(fù)材推臂在1.5倍的工作載荷下仍能保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

復(fù)材推臂在后期隨整機(jī)進(jìn)行了各項(xiàng)試驗(yàn)，如靜力強(qiáng)度、高低溫、溫度沖擊、功能振動(dòng)、耐久振動(dòng)、沖擊等，在試驗(yàn)中和試驗(yàn)后，推臂都能正?？煽抗ぷ鳎Y(jié)構(gòu)未發(fā)現(xiàn)有異常。此外，復(fù)材推臂根據(jù)GJB150.11A的要求，完成了鹽霧試驗(yàn)，試驗(yàn)后在復(fù)合材料及其與銅套裝配的部位均未發(fā)現(xiàn)有腐蝕現(xiàn)象，后續(xù)還需其他掛飛等復(fù)雜試驗(yàn)驗(yàn)證。

最后，對(duì)相同結(jié)構(gòu)的鋁合金試件和復(fù)材試件進(jìn)行稱(chēng)重對(duì)比，發(fā)現(xiàn)同結(jié)構(gòu)的復(fù)材推臂比鋁合金推臂質(zhì)量要輕大約32%，減重效果明顯，為該材料在機(jī)載發(fā)射裝置上的應(yīng)用提供了理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

3 結(jié) 論

文中通過(guò)對(duì)某型機(jī)載發(fā)射裝置碳纖維復(fù)合材料推臂進(jìn)行仿真計(jì)算和試驗(yàn)，得出以下結(jié)論。

(1) 根據(jù)強(qiáng)度校核計(jì)算結(jié)果可知，推臂在載荷條件下滿(mǎn)足強(qiáng)度設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。按照同樣的載荷要求計(jì)算同結(jié)構(gòu)的原鋁合金材料推臂，應(yīng)變?cè)茍D變化趨勢(shì)一致，可判斷推臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和鋪層設(shè)計(jì)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

(2) 通過(guò)對(duì)復(fù)材推臂進(jìn)行靜力試驗(yàn)、鹽霧試驗(yàn)和整機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)合應(yīng)變測(cè)量數(shù)據(jù)，證明其滿(mǎn)足強(qiáng)度、剛度和各種環(huán)境適應(yīng)性要求。

(3) 對(duì)比同等鋁合金試件，復(fù)材推臂重量明顯減輕大約32%，減重效果顯著，為該材料在機(jī)載發(fā)射裝置上的工程應(yīng)用提供了理論指導(dǎo)和試驗(yàn)依據(jù)。