(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所,安徽合肥230088)

0 引言

復(fù)合材料是由兩種及以上異質(zhì)、異形、異構(gòu)的材料通過(guò)專(zhuān)門(mén)成型工藝復(fù)合而成的一種高性能的新材料,具有比強(qiáng)度高、比模量大、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、抗疲勞性能好、耐腐蝕性能優(yōu)越和易于整體成型中大型構(gòu)件等顯著優(yōu)點(diǎn)[1]。相對(duì)使用鋁合金材料的傳統(tǒng)機(jī)載結(jié)構(gòu)件的重量,采用復(fù)合材料成型的構(gòu)件可實(shí)現(xiàn)減重20%～30%。同時(shí),采用先進(jìn)適用的成型工藝可顯著提高構(gòu)件的生產(chǎn)效率和使用壽命。因此,機(jī)載產(chǎn)品中復(fù)合材料的使用比例日益提高,先進(jìn)軍機(jī)結(jié)構(gòu)件的復(fù)合材料用量已達(dá)到25%左右,預(yù)計(jì)今后的用量將超過(guò)其總重量的50%以上[2]。

目前機(jī)載構(gòu)件使用的復(fù)合材料主要是樹(shù)脂基碳纖維復(fù)合材料(簡(jiǎn)稱(chēng)CFRP),其具有易于成型復(fù)雜異構(gòu)零件的特點(diǎn),可顯著提高結(jié)構(gòu)件組合設(shè)計(jì)的整體性,從而提高產(chǎn)品的可靠性,降低產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制造難度,縮短產(chǎn)品研制周期。目前,應(yīng)用于機(jī)載電子系統(tǒng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的工藝研究?jī)?nèi)容報(bào)道較少,因此,針對(duì)無(wú)人機(jī)載雷達(dá)復(fù)合材料承力支架的異型結(jié)構(gòu)特點(diǎn),開(kāi)展成型工藝技術(shù)研究,制定可行的方案,通過(guò)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證,成功研制了滿(mǎn)足應(yīng)用要求的無(wú)人機(jī)載碳纖維支架承力結(jié)構(gòu)件。

1 復(fù)合材料機(jī)載構(gòu)件成型工藝研究

碳纖維支架用于某無(wú)人機(jī)載雷達(dá)系統(tǒng),是天線(xiàn)/穩(wěn)定平臺(tái)單元與組合單元間連接的安裝支架,其結(jié)構(gòu)如圖1所示,外形尺寸為305 mm×206 mm×150 mm。其一端連接穩(wěn)定平臺(tái),另一端連接組合單元,是承擔(dān)系統(tǒng)單元間連接的重要構(gòu)件,必須具有足夠的剛強(qiáng)度。同時(shí),為保持良好的裝配精度,對(duì)兩處安裝面的平面度及相互間的垂直度也提出了較高要求。此外,該復(fù)合材料機(jī)載構(gòu)件還要滿(mǎn)足高低溫、振動(dòng)、沖擊等方面的試驗(yàn)要求,因此采用復(fù)合材料研制此結(jié)構(gòu)件對(duì)模具設(shè)計(jì)、仿真分析及成型工藝等都提出了較高的要求。

圖1 無(wú)人機(jī)載雷達(dá)復(fù)合材料異型支架模型

影響復(fù)合材料機(jī)載構(gòu)件質(zhì)量的工藝因素主要包括:1)材料和成型工藝方案、工藝參數(shù)的選擇;2)模具設(shè)計(jì)制造。

1.1 材料和成型方案選擇

按照該支架構(gòu)件的設(shè)計(jì)要求和結(jié)構(gòu)特點(diǎn),可采用鋁合金或樹(shù)脂基復(fù)合材料。采用鋁合金材料對(duì)安裝基座、安裝平面、加強(qiáng)筋板分別進(jìn)行加工,再采用焊接方法成型,此方法可以較好地滿(mǎn)足尺寸精度方面的要求,但可能存在焊接缺陷;也可考慮鑄造鋁坯件再加工的工藝路線(xiàn),此方法存在鑄件缺陷隱患、力學(xué)性能較低等不利因素;復(fù)合材料成型工藝與金屬材料加工相比,簡(jiǎn)單可靠、易于操作,適用于整體成型結(jié)構(gòu)復(fù)雜的制件。采用復(fù)合材料成型工藝,可將該構(gòu)件一次整體成型,并在滿(mǎn)足其力學(xué)設(shè)計(jì)性能指標(biāo)的前提下達(dá)到較好的減重效果。

復(fù)合材料機(jī)載構(gòu)件存在多種成型工藝,常用的成型方法有真空袋壓工藝、熱壓罐工藝、樹(shù)脂轉(zhuǎn)移傳遞模塑和模壓工藝等?？山Y(jié)合構(gòu)件的結(jié)構(gòu)形式及材料性能要求等,選擇合適的成型方法?？紤]到采用復(fù)合材料機(jī)載承力支架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),其部分直角結(jié)構(gòu),通過(guò)外壓工藝難以使材料傳遞均勻,擬選用軟模輔助模壓工藝整體成型研制。

在采用軟模輔助模壓成型時(shí),需綜合考慮模壓溫度、壓力及時(shí)間等參數(shù)。為盡量避免支架成型過(guò)程中出現(xiàn)的缺陷,根據(jù)前期工作經(jīng)驗(yàn)和本次的工藝摸索,采用如下工藝參數(shù):升溫速度1.5～3℃/min;加壓溫度105～110℃;成形壓力0.4～0.5 MPa;成形溫度120～130℃;保溫時(shí)間2 h;自然冷卻60℃以下可卸壓取出制件。采用以上工藝參數(shù)得到了符合要求的模壓制件。

1.2 模具設(shè)計(jì)

模壓成型工藝對(duì)模具材料、結(jié)構(gòu)、精度等有較高要求,合理的模具設(shè)計(jì)是保證成型質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。在進(jìn)行模具設(shè)計(jì)時(shí),在滿(mǎn)足支架成型精度要求的前提下應(yīng)考慮模具的制造工藝性、剛性、耐用度等方面的要求[3]。

針對(duì)無(wú)人機(jī)載雷達(dá)復(fù)合材料異型支架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),需在保持模具整體剛性的前提下,利用軟模的熱脹張力來(lái)輔助保證構(gòu)件的整體共固化。

剛性模具采用模芯分離方式,便于制件成型后脫模,各處工作面需精加工以得到滿(mǎn)足要求的精度和表面質(zhì)量。一般來(lái)說(shuō),線(xiàn)脹系數(shù)較大的材料都可以用來(lái)膨脹加壓,因此,軟模的線(xiàn)脹系數(shù)與剛性模相比應(yīng)有較大的差異,表1給出了部分模具材料的線(xiàn)脹系數(shù)。經(jīng)過(guò)比較,剛性模采用球墨鑄鐵,軟模采用目前應(yīng)用較成熟的R10301硅橡膠[4],其經(jīng)高溫高壓使用后的永久壓縮變形很小,并可重復(fù)進(jìn)行使用。

表1 部分模具材料的線(xiàn)脹系數(shù)

為保證軟模膨脹成型的支架的尺寸精度,在軟模與復(fù)合材料的內(nèi)腔之間需設(shè)計(jì)一定的工藝間隙,以此來(lái)調(diào)節(jié)加壓點(diǎn)及壓力大小。硅橡膠軟模從室溫到成型溫度的膨脹量由下式計(jì)算:

式中:V2R表示溫度為tgel時(shí)的自由熱膨脹體積;V0R表示在室溫時(shí)的硅橡膠軟膜體積;tgel表示復(fù)合材料中樹(shù)脂凝膠溫度。

結(jié)合模壓成型溫度、壓力,確定合適的工藝間隙并經(jīng)試驗(yàn)修正,最終獲得一致性較好、裝配間隙均勻的軟模。軟模輔助模壓成型模具裝配圖如圖2所示。

圖2 軟模輔助模壓成型模具裝配圖

在實(shí)際成型過(guò)程中此模具使用性能很好,所得制件變形小,尺寸精度滿(mǎn)足要求且一致性好,后期不加工的直接成型面表面質(zhì)量較好,完全滿(mǎn)足使用要求。

2 仿真分析

復(fù)合材料的有限元分析技術(shù)具有實(shí)驗(yàn)方法無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì),可在復(fù)合材料成型前進(jìn)行鋪層設(shè)計(jì),通過(guò)不斷改進(jìn)和優(yōu)化,獲得性能最佳的虛擬復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件,并模擬各種載荷工況下的結(jié)構(gòu)件性能,預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)件在使用條件下的性能變化。

目前,復(fù)合材料的仿真分析已成為復(fù)合材料設(shè)計(jì)、研究其結(jié)構(gòu)行為的必不可少的手段,并且具有較高的準(zhǔn)確性[5-8],可加速設(shè)計(jì)流程,并通過(guò)減少樣機(jī)數(shù)量、縮短制造過(guò)程從而降低成本。鋪層設(shè)計(jì)是復(fù)合材料設(shè)計(jì)中關(guān)鍵性的設(shè)計(jì)工作之一和特有的工作內(nèi)容,鋪層設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接影響著復(fù)合材料的性能。鋪層設(shè)計(jì)主要包括:選取合適的鋪層角,確定各種鋪層角的鋪層百分比和鋪層順序等。結(jié)合復(fù)合材料模壓制件的成型經(jīng)驗(yàn),支架采用準(zhǔn)各向同性鋪層方式。

先在三維建模軟件中建立支架的模型,并導(dǎo)入有限元軟件ANSYS中,對(duì)模型采用殼單元Shell99,按設(shè)計(jì)鋪層要求設(shè)置殼單元實(shí)常數(shù),進(jìn)行三角形智能網(wǎng)格劃分,得到的有限元模型圖如圖3所示。

圖3 無(wú)人機(jī)載雷達(dá)復(fù)合材料異型支架的有限元模型

依據(jù)機(jī)載平臺(tái)載荷設(shè)計(jì)要求,對(duì)支架進(jìn)行模態(tài)、沖擊、正弦振動(dòng)等動(dòng)力學(xué)分析,載荷條件如表2所示,仿真結(jié)果如圖4所示。

表2 無(wú)人機(jī)載雷達(dá)復(fù)合材料異型支架分析條件

圖4 復(fù)合材料機(jī)載構(gòu)件的仿真結(jié)果

分析結(jié)果表明:在振動(dòng)、沖擊等載荷作用下,該構(gòu)件圓形安裝面的變形(振動(dòng):2.7 mm,沖擊:0.16 mm)最大,然后逐步遞減到安裝基座,但最大變形均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。該承力支架的一階固有頻率為485.2 Hz,滿(mǎn)足安裝剛度要求;同時(shí)考慮到模態(tài)分析中其振型表現(xiàn)為圓形安裝面邊緣的局部振動(dòng),所以在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該適當(dāng)提高圓形安裝面邊緣的剛度。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 環(huán)境試驗(yàn)

由于此構(gòu)件用于機(jī)載雷達(dá)產(chǎn)品,所以需要按照國(guó)軍標(biāo)機(jī)載雷達(dá)的環(huán)境試驗(yàn)要求對(duì)所研制的構(gòu)件進(jìn)行高低溫、振動(dòng)、沖擊等試驗(yàn),具體的試驗(yàn)流程如圖5所示。

試驗(yàn)中,在高低溫試驗(yàn)前后通過(guò)拍照和目視方式初步檢查結(jié)構(gòu)有無(wú)損傷;在振動(dòng)和沖擊前后通過(guò)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特征對(duì)比來(lái)檢測(cè)結(jié)構(gòu)有無(wú)損害,即在振動(dòng)和沖擊前分別進(jìn)行低量級(jí)的特征掃頻試驗(yàn),通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)前后特征掃頻曲線(xiàn)的低量級(jí)特征掃頻曲線(xiàn)的變化來(lái)初步判斷結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)。其特征掃頻條件為:頻率范圍20～600 Hz,量級(jí)0.5g,掃頻速率2 oct/min。

目視檢測(cè)和特征曲線(xiàn)對(duì)比檢測(cè)均為初步檢測(cè)手段,具有快速、方便的優(yōu)點(diǎn),但是置信度沒(méi)有無(wú)損檢測(cè)高,因此在整個(gè)環(huán)境試驗(yàn)前后還對(duì)支架進(jìn)行了無(wú)損檢測(cè),以對(duì)比試驗(yàn)前后的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。

圖5 試驗(yàn)流程圖

按照上述試驗(yàn)流程,完成支架的高低溫試驗(yàn)和3個(gè)方向上的振動(dòng)沖擊試驗(yàn),支架安裝基座、安裝平面、加強(qiáng)筋板的外觀(guān)目視檢查完好,結(jié)構(gòu)無(wú)損傷、無(wú)松動(dòng)。在3個(gè)方向上的振動(dòng)與沖擊試驗(yàn)前后,特征掃頻曲線(xiàn)吻合良好,沒(méi)有發(fā)生明顯的頻移和曲線(xiàn)特征變化,圖6給出了X向振動(dòng)、沖擊試驗(yàn)前后3次特征掃頻曲線(xiàn)的對(duì)比。另外,從特征掃頻曲線(xiàn)可見(jiàn),該支架X向一階固有頻率為470 Hz左右,可見(jiàn)直接整體剛度較大,且共振頻率與前述模態(tài)分析中結(jié)構(gòu)第一階固有頻率吻合良好。因此,初步可以認(rèn)為支架經(jīng)受住了高低溫、振動(dòng)和沖擊環(huán)境試驗(yàn)。圖7為振動(dòng)沖擊試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片。

3.2 無(wú)損檢測(cè)

無(wú)損檢測(cè)[9-10]是在不損壞材料或工件使用性能,不改變其形狀和狀態(tài)情況下,利用聲、光、電、熱、磁和射線(xiàn)等,探測(cè)材料、構(gòu)件設(shè)備的各種宏觀(guān)的內(nèi)部或表面缺陷,判斷缺陷位置、大小、形狀和種類(lèi),以確定產(chǎn)品是否達(dá)到使用性能的一種方法。

圖6 特征掃頻曲線(xiàn)對(duì)比

圖7 無(wú)人機(jī)載雷達(dá)復(fù)合材料異型支架振動(dòng)、沖擊試驗(yàn)圖

復(fù)合材料中最易產(chǎn)生的缺陷主要有兩大類(lèi):1)宏觀(guān)缺陷,如脫粘、疏松、裂紋、沖擊損傷、外來(lái)物等,其缺點(diǎn)是缺陷面積大,主要發(fā)生在結(jié)構(gòu)制造和服役期間;2)微細(xì)缺陷,如氣孔、界面結(jié)合不良、成分不均勻等,其特點(diǎn)是缺陷微細(xì),分布在復(fù)合材料中樹(shù)脂或樹(shù)脂/纖維界面之間,呈明顯的體積分布。這種不均勻性對(duì)復(fù)合材料制件性能將有明顯影響。

無(wú)損檢測(cè)的目的和任務(wù)就是采用合理有效的方法、技術(shù)和檢測(cè)手段及時(shí)發(fā)現(xiàn)和檢測(cè)出這些缺陷。結(jié)合復(fù)合材料支架結(jié)構(gòu)件的使用特點(diǎn),選定制件特定位置采用X射線(xiàn)對(duì)振動(dòng)、沖擊、高低溫試驗(yàn)前后進(jìn)行對(duì)比檢測(cè),如圖8所示。

圖8 X射線(xiàn)檢測(cè)圖

從圖8可以看出:模壓成型的無(wú)人機(jī)載雷達(dá)復(fù)合材料異型支架樹(shù)脂及纖維均勻性、流動(dòng)性較好,沒(méi)有出現(xiàn)樹(shù)脂的淤積、脫粘、裂紋、氣泡、成分不均勻等缺陷,振動(dòng)、沖擊、高低溫試驗(yàn)沒(méi)有對(duì)結(jié)構(gòu)件的性能造成損傷。

綜合支架外觀(guān)檢查、試驗(yàn)前后特征掃頻曲線(xiàn)對(duì)比和無(wú)損檢測(cè)結(jié)果,可以認(rèn)為支架經(jīng)受住了高低溫、振動(dòng)和沖擊環(huán)境試驗(yàn),結(jié)構(gòu)和工藝性能合理,滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。研制完成后得到的復(fù)合材料機(jī)載支架如圖9所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)某型無(wú)人機(jī)載雷達(dá)復(fù)合材料異型支架開(kāi)展工藝設(shè)計(jì)與研究。

圖9 無(wú)人機(jī)載雷達(dá)復(fù)合材料異型支架實(shí)物圖

首先根據(jù)支架的應(yīng)用環(huán)境和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)合理選擇了材料和成型工藝方案、確定了相關(guān)的工藝參數(shù)。

其次借助于有限元技術(shù),對(duì)復(fù)合材料機(jī)載支架在各種載荷工況下的性能變化趨勢(shì)進(jìn)行了成功預(yù)測(cè),對(duì)于減少設(shè)計(jì)偏差、加快研發(fā)流程、降低制造成本具有一定的積極意義。并且在此基礎(chǔ)上,通過(guò)軟模輔助模壓成型工藝方法對(duì)支架進(jìn)行了整體制造成型,相比于真空袋、熱壓罐等工藝手段,獲得了更好的工藝質(zhì)量和力學(xué)性能。

最后對(duì)研制成功的復(fù)合材料機(jī)載支架進(jìn)行了環(huán)境試驗(yàn)驗(yàn)證,通過(guò)目視檢查、特征曲線(xiàn)對(duì)比和無(wú)損檢測(cè)等多手段對(duì)支架試驗(yàn)前后的結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行了確認(rèn),結(jié)果顯示該支架經(jīng)受住了機(jī)載環(huán)境試驗(yàn)的考核,滿(mǎn)足機(jī)載雷達(dá)產(chǎn)品的應(yīng)用要求,對(duì)于類(lèi)似機(jī)載復(fù)合材料構(gòu)件的研制具有一定的借鑒意義。

[1]包建文.高效低成本復(fù)合材料及其制造技術(shù)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2012.

[2]施曉春,馮浩.復(fù)合材料在飛機(jī)主承力結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用及無(wú)損檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)[J].航空制造技術(shù),2014(22):116-119,124.

[3]殷東平,王亞鋒,李直.某復(fù)合材料機(jī)載構(gòu)件制造工藝研究[J].電子機(jī)械工程,2010,26(5):43-45.

[4]夏景云.復(fù)合材料硅橡膠膨脹加壓成型模具的設(shè)計(jì)與制造[J].玻璃鋼/復(fù)合材料,2015(5):81-83.

[5]陳際偉,趙艷文,翟全勝.復(fù)合材料壁板的數(shù)字化成型研究[J].高科技纖維與應(yīng)用,2015,40(3):55-60.

[6]孫旋,童明波,王濤.復(fù)合材料加筋板低速?zèng)_擊有限元模擬分析[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào),2013,45(4):510-514.

[7]羅海波,燕瑛,孟祥吉.等.復(fù)合材料機(jī)身結(jié)構(gòu)件沖擊模擬與吸能特性研究[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào),2015,32(4):1159-1165.

[8]張家雷,劉國(guó)棟,王偉平,等.激光對(duì)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的熱燒蝕數(shù)值模擬[J].強(qiáng)激光與粒子束,2013,25(8):1888-1892.

[9]鞠金山,王亞鋒.碳纖維天線(xiàn)反射面的熱變形仿真[J].雷達(dá)科學(xué)與技術(shù),2009,7(4):321-324.JU Jinshan,WANG Yafeng.Simulation of Heat-Distortion for Carbon Fiber Composite Antenna Reflector[J].Radar Science and Technology,2009,7(4):321-324.(in Chinese)

[10]趙渠森.先進(jìn)復(fù)合材料手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2003.