王富強，郭子民，劉 鵬，梁紹偉，郇 峰

(1. 中國電子科技集團(tuán)公司第三十三研究所, 山西 太原 030006；2. 電磁防護(hù)技術(shù)山西省重點實驗室， 山西 太原 030006)

引 言

機載標(biāo)準(zhǔn)化機箱是用來裝載和保護(hù)電子設(shè)備的小型機箱，安裝方便，可進(jìn)行模塊化機載搭接。其集成度高，內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊湊，減重要求高，并具有高抗振、抗沖擊性能和較高的電磁屏蔽性能，主要用來承載系統(tǒng)設(shè)備，并使內(nèi)部電子設(shè)備免受外部環(huán)境影響。

目前該類裝備大多以鋁制拼接結(jié)構(gòu)為主，雖有一些非金屬乃至碳纖維復(fù)合材料的機箱產(chǎn)品，但大多不具備電磁屏蔽功能。隨著標(biāo)準(zhǔn)化機箱所處的外部環(huán)境的復(fù)雜化，加之裝備性能提升的迫切性，尤其是提高系統(tǒng)機動性能的需求，在實現(xiàn)輕量化的同時保證系統(tǒng)的可靠性是該類產(chǎn)品研制的一個重要目標(biāo)。

本文針對模塊化機箱減重和電磁屏蔽需求，將鍍鎳碳纖維和碳纖維增強復(fù)合材料作為機箱主材，利用熱壓罐成型工藝制備了電磁防護(hù)復(fù)合材料機箱，并對成型工藝的可行性進(jìn)行了驗證，以得出一種新型輕質(zhì)屏蔽機箱的設(shè)計、制造方法。

1 機箱材料和結(jié)構(gòu)

1.1 機箱材料

機箱主體材料采用T700 6K碳纖維平紋預(yù)浸布、鍍鎳碳纖維單向布和鎳基延展金屬層[1]。材料具有密度低、強度高、導(dǎo)電性能優(yōu)異的特性，經(jīng)過相應(yīng)的鋪層設(shè)計之后，滿足了機箱設(shè)計所需的強度、環(huán)境適應(yīng)性和電磁防護(hù)要求[2]。

1.2 機箱結(jié)構(gòu)

如圖1所示，機箱分為機身、上頂板和下頂板3個部分，采用熱壓罐工藝進(jìn)行一體成型。成型后在上下頂板的邊緣密封部位開槽以鋪設(shè)導(dǎo)電橡膠，與從機身導(dǎo)電引出的配合面進(jìn)行導(dǎo)電搭接[3]。

機箱箱體部位使用壓延金屬網(wǎng)作為機箱材料導(dǎo)電引出層，然后在其表面涂刷環(huán)氧基的導(dǎo)電涂層，再配合蓋板的導(dǎo)電橡膠進(jìn)行電氣密封。

圖1 機箱電磁密封結(jié)構(gòu)示意圖

2 機箱制造工藝

與傳統(tǒng)金屬機箱的制備工藝不同，復(fù)合材料機箱需依托成型工裝或模具輔以相應(yīng)的成型工藝進(jìn)行制造[4]。常見的制備技術(shù)有很多，其工藝各有特點。熱壓罐工藝能夠成型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的蒙皮、壁板和殼體等，能較大程度地發(fā)揮材料自身的力學(xué)性能，因而在軍工、航天等領(lǐng)域得到非常廣泛的應(yīng)用。

熱壓罐成型方式主要是利用熱壓罐內(nèi)部的高溫壓縮氣體產(chǎn)生壓力，對復(fù)合材料坯料進(jìn)行加熱加壓以完成固化成型。機箱的設(shè)計制造過程包括機身成型模具設(shè)計和制作、鋪層設(shè)計和固化成型。

2.1 機箱機身成型模具設(shè)計和制作

機箱上下頂板結(jié)構(gòu)比較簡單，本文主要對機箱機身部分成型模具的設(shè)計和制作進(jìn)行詳細(xì)介紹。圖2為成型模具的結(jié)構(gòu)示意圖。考慮到批量化生產(chǎn)的模具成本和效率，機箱模具僅通過外殼模具來限制產(chǎn)品的外部尺寸。這樣鋪層簡單，操作簡便，便于進(jìn)行預(yù)埋件處理，可大大減少生產(chǎn)工作量，提高工作效率，成本較低。

圖2 成型模具結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 鋪層

由于鋪層設(shè)計需兼顧力學(xué)性能和電性能的綜合需求[5]，鋪層結(jié)構(gòu)在遵循傳統(tǒng)復(fù)合材料鋪層原則的情況下需加入提高其導(dǎo)電性能的功能性鋪層[6]。根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)組成分類，鋪層的難點在于導(dǎo)電層設(shè)計及引出鋪層、制孔位置鋪層設(shè)置及法蘭面加工邊緣鋪層。同時以壓延金屬網(wǎng)為導(dǎo)電引出層，上翻于法蘭面以提供導(dǎo)電連接。

鋪層時在復(fù)合材料機箱的邊緣部分增加與切割方向平行的鋪層結(jié)構(gòu)，在開孔部位做多個方向的鋪層，導(dǎo)電層的材料選擇延展性好，能充分穿透樹脂的增強層材料。基本鋪層方案為碳纖維平紋布—鍍鎳碳纖維布—碳纖維平紋布—壓延金屬網(wǎng)—碳纖維平紋布。鋪層時根據(jù)產(chǎn)品部位厚度的不同，對鋪層的順序、層數(shù)、材料、搭接等做不同的設(shè)計。

2.3 固化成型

熱壓罐成型工藝中最關(guān)鍵的過程為真空袋組合系統(tǒng)制作，其制作需要采用各種輔助材料，如圖3所示。

圖3 熱壓罐成型輔料設(shè)置

裝袋后應(yīng)進(jìn)行真空檢漏，確認(rèn)無誤后，便可用閉合鎖鎖住熱壓罐門，升溫固化，固化工藝參數(shù)如圖4所示。

圖4 熱壓罐固化成型工藝參數(shù)曲線

3 計算及試驗驗證

3.1 力學(xué)性能仿真分析

由于復(fù)合材料機箱采用平紋布的鋪層仿真[7]，簡化認(rèn)為材料為各向同性材料，所以按照材料的測試結(jié)果進(jìn)行材料參數(shù)的輸入，基本參數(shù)見表1。

表1 材料屬性

3.1.1 網(wǎng)格劃分

由于沒有去掉機箱的部分螺釘孔，所以采用局部網(wǎng)格加通用網(wǎng)格的方式進(jìn)行網(wǎng)格劃分?？梢圆捎昧骟w網(wǎng)格的規(guī)則區(qū)域盡量采用六面體網(wǎng)格，實在無法采用六面體網(wǎng)格的部分則采用四面體網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分之后得到926 834個節(jié)點和452 420個單元。

3.1.2 邊界條件設(shè)定

按照機箱的安裝環(huán)境對機箱插槽表面施加固定約束，對機箱蓋板與機箱翻邊處的接觸采用綁定約束。約束邊界條件和接觸邊界條件如圖5所示。

圖5 邊界條件

3.1.3 模態(tài)分析結(jié)果

試驗機箱的前5階模態(tài)結(jié)果見表2。

表2 前5階模態(tài)自振頻率

3.1.4 PSD加載分析

隨機振動分析也稱為功率譜密度分析，是一種基于概率統(tǒng)計學(xué)的譜分析技術(shù)，是將時間歷程的統(tǒng)計樣本變?yōu)楦怕首V密度函數(shù)(PSD)，反映的是隨機載荷的頻率成分。PSD加載模態(tài)分析數(shù)據(jù)如圖6所示，其中，L1=1.2g2/Hz，F(xiàn)1=107.5 Hz，F(xiàn)2=2F1，F(xiàn)3=3F1，F(xiàn)4=4F1。

圖6 PSD加載數(shù)據(jù)

1)X方向(垂直于約束面方向)加載。如圖7(a)所示，當(dāng)PSD加載為X方向時，應(yīng)力集中主要出現(xiàn)在相對面的邊緣，為了避免應(yīng)力集中的出現(xiàn)，應(yīng)在邊緣部分增加圓角，以減小應(yīng)力。其余部分的應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于碳纖維的強度，可以滿足強度要求。

圖7 X、Y、Z方向加載應(yīng)力云圖

2)Y方向加載。Y方向的加載應(yīng)力分布如圖7(b)所示。在Y方向的加載過程中，應(yīng)力集中出現(xiàn)在中間四面體的邊緣處，最大應(yīng)力約為9.2 MPa，應(yīng)力集中沒有出現(xiàn)在螺釘連接部位，其余各個面的應(yīng)力分布較小。

3)Z方向(垂直于蓋板方向)加載。如圖7(c)所示，在Z方向激勵時，中間蓋板的應(yīng)力集中主要出現(xiàn)在中間螺釘孔周圍，且最大應(yīng)力約為17.8 MPa，小于碳纖維復(fù)合材料的強度，所以螺釘孔的布置合理，可以滿足強度要求。

3.2 復(fù)合材料機箱綜合指標(biāo)測試結(jié)果

3.2.1 機箱質(zhì)量

復(fù)合材料機箱實物如圖8所示，其質(zhì)量對比見表3。從表3可以看出，與相同結(jié)構(gòu)的鋁制機箱相比，碳纖維復(fù)合材料機箱減重了0.54 kg，減重幅度達(dá)31.4% 。

圖8 復(fù)合材料機箱實物圖

機箱種類質(zhì)量/kg鋁制機箱1.72復(fù)合材料機箱1.18

3.2.2 屏蔽效能

按照GJB 151B-2013《軍用設(shè)備和分系統(tǒng) 電磁發(fā)射和敏感度要求與測量》的相關(guān)要求，對復(fù)合材料機箱實物進(jìn)行了電磁兼容性能測試, 測試頻率范圍為 30MHz～18GHz, 試驗后的電磁兼容曲線如圖9(a)和9(b)所示。測試結(jié)果顯示，復(fù)合材料機箱的電磁兼容性能滿足RE102輻射極限值要求。

4 結(jié)束語

在利用熱壓罐工藝進(jìn)行電磁防護(hù)碳纖維復(fù)合材料機箱研制過程中取得的成果如下:1) 選用碳纖維、鍍鎳碳纖維增強材料以及電磁增強材料的混合鋪層和整體成型工藝過程質(zhì)量可控，產(chǎn)品表觀較好，在滿足強度、剛度等力學(xué)性能條件下，復(fù)合材料機箱更輕，其質(zhì)量比同結(jié)構(gòu)鋁質(zhì)機箱輕31.4%以上；2)在機載振動條件下的仿真數(shù)據(jù)表明，復(fù)合材料機箱滿足機載振動下的強度要求；3)按照GJB 151B-2013《軍用設(shè)備和分系統(tǒng) 電磁發(fā)射和敏感度要求與測量》的相關(guān)要求，對復(fù)合材料機箱實物進(jìn)行的電磁兼容性能測試結(jié)果表明，該機箱滿足RE102的輻射極限值要求。