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        一種碳纖維車載中控臺設計

        2021-07-10 02:21:00巨小龍郭木鐸
        科技與創(chuàng)新 2021年12期
        關(guān)鍵詞:中控臺樣件碳纖維

        巨小龍,郭木鐸,王 騰

        (中國電子科技集團公司第二十八研究所,江蘇 南京 210007)

        1 前言

        隨著機動式指揮控制系統(tǒng)的發(fā)展,車載指揮平臺對于車內(nèi)中控臺提出了輕量化、高強度、高可用性的要求[1]。傳統(tǒng)的金屬中控臺受制于工藝及原材料的特性,其造型較為平直,輕量化實現(xiàn)難度較大。為了提升指揮車的承載能力,盡可能減少承載結(jié)構(gòu)件的自重,提高指揮車內(nèi)的整體美觀性及人機工程水平,使用碳纖維復合材料是實現(xiàn)這一要求的重要途徑。

        碳纖維復合材料(CFRP)是以樹脂為基體,碳纖維為增強體的一種力學性能優(yōu)異的無機高分子材料,是新一代軍民兩用增強纖維[2-4]。碳纖維材料已在軍事及民用工業(yè)的各個領域取得廣泛應用,在從汽車、電子、機械、化工、輕紡等民用工業(yè)到航天、航空等軍工領域均有不可替代的地位。它所具有的密度小、比模量大、比剛度高、可設計性強、抗疲勞斷裂性能好、耐高溫、抗腐蝕和便于大面積整體成形等諸多優(yōu)點,可以滿足高結(jié)構(gòu)效率的要求?,F(xiàn)在,CFRP已經(jīng)與鋁合金、鈦合金、合金鋼一起成為航空、航天領域的四大結(jié)構(gòu)材料[5]。

        2 碳纖維復合材料特性

        2.1 輕質(zhì)高強

        碳纖維復合材料的密度為1.6 g/cm3,是普通鋼材的20%,與鎂合金相似。碳纖維環(huán)氧樹脂基復合材料的拉伸強度可達2 000 MPa,模量可達200 GPa以上,性能遠高于普通鋼材。據(jù)統(tǒng)計,同等外形和性能條件下,采用碳纖維復合材料使結(jié)構(gòu)質(zhì)量減輕30%~40%。而且由于碳纖維復合材料的比強度、比模量很高,產(chǎn)品可以獲得更好的輕量化效果。

        2.2 耐沖擊

        碳纖維復合材料具有較高的固有頻率,同時復合材料基體纖維界面有較大的吸收振動能量的能力,使其在受到相同程度的破壞時,能夠承受比其他材料更高的沖擊力。在發(fā)生碰撞時,能量吸收率較鋁合金和鋼高5倍以上,具有非常高的抗振、抗沖擊性能。

        2.3 可設計性強

        碳纖維復合材料沿纖維軸向和垂向的電、磁、導熱、比熱、熱膨脹系數(shù)以及力學性能等,具有明顯的差別。碳纖維復合材料可以在很寬的范圍調(diào)整鋪層取向,由于鋪層的各向異性特征,可通過選擇合適的鋪層方向和層數(shù)來滿足強度、剛度和各種特殊要求,以獲得滿足使用要求、具有最佳性能質(zhì)量比的復合材料結(jié)構(gòu),這為結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計開闊了巨大的發(fā)展空間,是各向同性材料所無法比擬的。

        2.4 易于大面積整體成形

        碳纖維復合材料具有多種成型方式,代表性的是整體共固化成形,該技術(shù)減少了零件和緊固件的數(shù)量,簡化了生產(chǎn)工序,縮短了生產(chǎn)周期。例如,美國洛克希德·馬丁公司試制的JSF戰(zhàn)斗機的復合材料垂直安定面,復合材料的零件數(shù)目減少到1個,取消了1 000多個機械緊固件,既簡化了工序,又節(jié)省了工時,使裝配協(xié)調(diào)問題更簡單,制造成本減少了60%。

        3 中控臺設計

        3.1 外觀設計

        作為駕駛室內(nèi)重要的組成部分,中控臺的設計需參照原車的造型風格及色彩搭配,與改裝后的整體效果相協(xié)調(diào)。整車的內(nèi)飾設計需以滿足操作人員的視覺、觸覺的舒適感以及心理需求為目標,整體把握車體內(nèi)部空間的效果。由于原車前后兩排席位中間為過道,為了實現(xiàn)設備上裝,因此在過道處設置了整體式中控臺。

        中控臺整體效果如圖1所示,中控臺采用深灰色的色彩基調(diào),上裝結(jié)構(gòu)件及配套設備均噴涂淺灰色的油漆,在保證顏色協(xié)調(diào)的基礎上,確??蛇_性及可操作性。

        圖1 中控臺整體效果圖

        3.2 成型工藝

        碳纖維復合材料成型主要有模壓工藝、拉擠工藝、熱壓罐成型工藝、RTM工藝、纏繞工藝、真空導流工藝等。相比與其他工藝,真空導流工藝具有成本低、產(chǎn)品質(zhì)量高、一致性好、工步少、樹脂含量少、污染小等優(yōu)點,其鋪貼如圖2所示。整個鋪貼過程需要考慮制品的結(jié)構(gòu)和形狀,布置好導流網(wǎng)。

        圖2 真空導流成形鋪層示意圖

        具體操作步驟為:①準備模具。將模具清理干凈,然后打脫模蠟或抹脫模水。②增強材料鋪設。依次鋪設碳纖維、芳綸纖維、強芯氈等復合材料。③真空袋材料鋪設。先鋪上脫模布,接著是導流布,最后是真空袋。④抽真空。鋪設纖維材料后,安裝各進樹脂管,對整個體系進行抽真空處理。⑤配樹脂。抽真空達到一定要求后,準備樹脂。按凝膠時間配入相應固化劑。⑥導入樹脂。把進膠管插入配好的樹脂桶中,依次導入樹脂。⑦脫模。樹脂完全固化后,揭去真空袋材料,取出制品。

        3.3 結(jié)構(gòu)設計

        本文研究的對象主要由框架、臺板和安裝附件組成,其設計模型如圖3所示。由于中控臺需從儀表臺延伸至第二排區(qū)域,同時需避讓駕駛員側(cè)部的操作桿。因此中控臺整體設計為楔形,前部較窄,并逐步過渡至正常寬度。

        圖3 中控臺設計模型

        為了保障副駕駛席位及第二排兩個席位正常工作,中控臺上部集成安裝了顯示及操作終端、耳機話柄、便攜操作單元等各類顯控單元。

        中控臺如圖4所示,傳統(tǒng)的中控臺以鈑金或鋼骨架作為承載主體,外部可根據(jù)需要使用木板或其他裝飾板進行包覆。但由于這種金屬框架設計受限,需使用較多數(shù)量的型材完成骨架的焊接,難以實現(xiàn)曲面、曲線的圓滑過渡;同時其剛強度受焊接質(zhì)量影響較大,若出現(xiàn)焊接瑕疵可能會造成中控臺剛強度不足。

        圖4 中控臺(鋼骨架模型)

        由于鋼制材料密度較大,金屬骨架焊接完成后,尚需設置外觀覆蓋件,集成后的金屬中控臺整體質(zhì)量通常高達40~50 kg,極大影響了整車的裝載能力。

        如圖4所示,碳纖維中控臺由框架和臺板組成,框架采用整體成型方式,可保證產(chǎn)品獲得優(yōu)異的力學性能。為了滿足設備上裝緊固需要,框架和臺板成型時根據(jù)緊固點的分布,分別設置3 mm厚鍍鋅鋼板作為安裝埋鐵。后續(xù)集成上裝過程中,可使用安裝緊固件將設備與中控臺可靠連接。由于碳纖維中控臺鋪層完畢后,其已具有一定的厚度和完整的外觀面,無需額外使用表面覆蓋件,中控臺整體質(zhì)量能夠得到有效的控制。成型后的中控臺為24.1 kg,相比于金屬中控臺,減重達50%。

        3.4 人機工程設計

        為了滿足人機工程學需要,中控臺主體高度設置為530 mm,結(jié)合原車中部過道高度為220 mm,中控臺高度相對于操作人員腳面為750 mm;同時腿部空間高度為600 mm,深度為350 mm,符合GJB 2873—97中對坐姿操作空間的要求。

        席位操作域如圖5所示。在水平面上,以肩關(guān)節(jié)為圓心,半徑600 mm的2個半圓覆蓋了操作臺板上的觸摸屏、手柄和鍵鼠設備,符合標準中對操作空間的要求。同時,最重要的和最常用的信息顯示等裝置(加固筆記本),布置在區(qū)域1內(nèi);比較重要的和比較常用的操縱機構(gòu)和信息顯示等裝置(接口盒、操作終端),布置在區(qū)域2內(nèi);經(jīng)常使用的裝置(電話手柄),布置在區(qū)域3內(nèi)。

        圖5 席位操作域示意圖

        4 試驗驗證

        為滿足新形勢下全域機動的任務需求,新型特種車輛車載電子系統(tǒng)應能適應高海拔、高寒、潮濕及叢林等多種環(huán)境,并具備靈活開設、快速維護和高效多能等功能[6]。為了驗證碳纖維中控臺實裝下的環(huán)境適應性及其剛強度,參考GJB150的相關(guān)試驗要求及方法,對碳纖維中控臺進行高溫貯存、低溫貯存及振動試驗。

        4.1 高溫貯存

        試驗前檢查:試驗前對樣件進行外觀檢查,確認樣件外表面無異常。

        環(huán)境升溫:將樣件置于試驗間中,試驗間初始環(huán)境溫度開始升高至70℃(溫度變化不超過2℃/min)。

        溫度保持:將樣件置于70℃環(huán)境下,溫度穩(wěn)定后保持24 h。試驗間內(nèi)環(huán)境溫度及艙內(nèi)溫度均由70℃降至常溫,溫度變化不超過2℃/min,溫度穩(wěn)定后保持2 h。

        試驗后檢查:檢查常溫下結(jié)構(gòu)件狀態(tài)。

        4.2 低溫貯存

        試驗前檢查:試驗前對樣件進行外觀檢查,確認樣件外表面無異常。

        環(huán)境降溫:將樣件置于試驗間中,試驗間初始環(huán)境溫度開始降低至﹣55℃(溫度變化不超過2℃/min)。

        溫度保持:將樣件置于﹣55℃環(huán)境中,溫度穩(wěn)定后保持24 h。試驗間內(nèi)環(huán)境溫度及艙內(nèi)溫度均由﹣55℃升至常溫,溫度變化不超過2℃/min,溫度穩(wěn)定后保持2 h。

        試驗后檢查:檢查常溫下結(jié)構(gòu)件狀態(tài)。

        4.3 振動試驗

        使用固定工裝,將碳纖維中控臺與振動臺可靠連接。振動試驗條件如圖6所示。分別參照圖6(a)和圖6(b)設置振動條件,每個方向振動30 min。

        圖6 振動試驗條件

        4.4 試驗結(jié)果

        經(jīng)過高、低溫及振動試驗驗證,同時隨整車進行了長距離跑車試驗考核,碳纖維中控臺能夠滿足整車的使用工況,滿足GJB150中對于高、低溫及振動的指標要求。中控臺試驗如圖7所示。

        圖7 中控臺試驗圖

        5 結(jié)論

        本文根據(jù)車載移動指揮平臺需求,設計了一種高集成性、高強度的碳纖維中控臺,通過人機工程分析驗證了人機工效的合理性、可行性;通過高溫、低溫、振動試驗對碳纖維中控臺的環(huán)境適應性和力學性能進行試驗驗證。經(jīng)分析試驗,碳纖維中控臺能夠更加有效地依據(jù)車輛內(nèi)飾環(huán)境進行針對性設計,滿足輕量化要求的同時,保證產(chǎn)品的性能與質(zhì)量,可進一步在機動指揮裝備中進行推廣和應用。

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