何 潔，黃益民，劉 彬，梁攀攀

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

0 引 言

未來高性能戰(zhàn)機對結(jié)構(gòu)重量的要求會越來越苛刻，因此輕量化材料在新型戰(zhàn)機中的應(yīng)用也越來越多，大量應(yīng)用具有優(yōu)異比強度、比剛度以及結(jié)構(gòu)、性能可設(shè)計性的先進復(fù)合材料已經(jīng)成為一種趨勢[1]。

機載發(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)計來實現(xiàn)減重太過被動局限，而選用比強度高出鋁合金6～10倍、比模量高出4倍的復(fù)合材料實現(xiàn)結(jié)構(gòu)減重的目標就相對容易很多。機載彈射發(fā)射裝置輕量化設(shè)計是現(xiàn)階段機載武器系統(tǒng)的重點研究方向之一[2]。

目前，美國MMS公司研制的武裝直升機采用復(fù)合材料發(fā)射架，重量比金屬材料發(fā)射架減重約50%，且已通過軍用標準810 h的嚴格測試[3]；英國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，整個發(fā)射架重量≤30 kg，比同類金屬材料的發(fā)射架要輕30%[4]；美國Raytheon公司研制復(fù)合材料發(fā)射架導(dǎo)軌，用增強材料和多層結(jié)構(gòu)提高發(fā)射架的耐疲勞、耐腐蝕性能[5]。國內(nèi)方面，復(fù)合材料在機載發(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)過大量的試驗驗證才能應(yīng)用于實際工程中。對于發(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)品競標中的一項關(guān)鍵指標[6]。因此，發(fā)射裝置的輕量化設(shè)計研究已刻不容緩。

筆者以某型機載彈射發(fā)射裝置的碳纖維復(fù)合材料推臂為研究對象，建立了復(fù)材推臂的有限元模型，進行了強度仿真計算，隨后對其進行了靜力拉伸試驗，并跟隨整機進行了彈射試驗和環(huán)境試驗等，從而驗證了該復(fù)材推臂滿足設(shè)計要求，為機載發(fā)射裝置的輕量化設(shè)計研究奠定了基礎(chǔ)。

1 推臂結(jié)構(gòu)數(shù)值模型

1.1 推臂結(jié)構(gòu)組成

機載彈射發(fā)射裝置中，主推臂與副推臂組成彈射機構(gòu)，用以將導(dǎo)彈安裝固定在發(fā)射裝置上，并實現(xiàn)對導(dǎo)彈的懸掛運載和彈射；彈射過程結(jié)束時，實現(xiàn)導(dǎo)彈分離；導(dǎo)彈分離后，保證重新回到運輸狀態(tài)，并鎖緊固定。文中選取的推臂作為副推臂，用來支撐主推臂，如圖1所示。為保證彈射機構(gòu)的打開及收回，在發(fā)射裝置工作過程中，推臂承受短時間(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件已通過結(jié)構(gòu)試驗的驗證，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)進行連接，傳遞載荷，同時在接頭附近區(qū)域進行補強設(shè)計，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足設(shè)計指標要求。

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CF3011)。采用樹脂傳遞模塑(RTM)成型工藝，樹脂基體采用中溫固化環(huán)氧樹脂(牌號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)，鋪層順序為：[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，承擔(dān)面內(nèi)壓縮載荷的0°纖維盡量多，比例設(shè)計為65%；同時推臂還承擔(dān)面內(nèi)彎曲載荷，因此45°纖維和-45°纖維比例均設(shè)計為14.5%。

基于航空航天部門復(fù)合材料的設(shè)計經(jīng)驗，對本結(jié)構(gòu)選材而言，壓縮強度許用值為4 500 με，拉伸強度許用值為5 000 με是相對合理的，也是相對保守的。

1.3 網(wǎng)格劃分及邊界條件

在復(fù)材推臂的建模過程中，推臂的側(cè)壁主承力區(qū)采用六面體單元進行網(wǎng)格劃分，按照復(fù)合材料鋪層定義進行單元的屬性定義，兩端端頭和中間的實體部分采用四面體單元進行網(wǎng)格劃分，按照各向同性材料進行單元定義，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)，受力可簡化為沿軸向承受78 kN的壓縮載荷，如圖3所示。

1.4 推臂計算結(jié)果

對復(fù)合材料推臂計算，應(yīng)變云圖如圖4所示。

圖4 復(fù)合材料推臂計算結(jié)果

根據(jù)計算結(jié)果可知，推臂失效薄弱部分均分布在工字梁T型過渡處，最大拉應(yīng)變?yōu)? 131 με，最大壓應(yīng)變?yōu)? 272 με。考慮計算結(jié)果為點應(yīng)變，除應(yīng)力集中點外，其余部分最大應(yīng)變在3 000 με以內(nèi)。根據(jù)強度校核計算結(jié)果可知，推臂在載荷條件下滿足強度設(shè)計指標要求。

按照同樣的載荷要求計算同結(jié)構(gòu)的原鋁合金材料推臂，應(yīng)變云圖變化趨勢一致，說明該復(fù)材推臂經(jīng)過結(jié)構(gòu)設(shè)計和鋪層設(shè)計后，其整體載荷的分配比較合理，可判斷推臂結(jié)構(gòu)設(shè)計和鋪層設(shè)計滿足設(shè)計要求。

2 靜力試驗

本試驗的目的主要是考核復(fù)材推臂的承載能力，同時驗證該推臂是否滿足強度設(shè)計要求。試驗件為T700/樹脂基復(fù)材推臂。本試驗采用的試驗設(shè)備如表2所列。

表2 試驗設(shè)備一覽表

將主推臂和副推臂組成一組試驗件，在拉/壓試驗臺上加裝后如圖5所示。將推臂用專用夾具固定在試驗臺上，以2 mm/min的速度加載，對兩軸施加壓縮載荷并進行測試。

圖5 推臂力學(xué)試驗

通過應(yīng)變片監(jiān)測推臂危險區(qū)域的應(yīng)變來判斷其承載能力，載荷與應(yīng)變結(jié)果如表3所列。

表3 試驗件加載力值與應(yīng)變測量結(jié)果

將A、B、C點的應(yīng)變值進行分析對比，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點加載率-應(yīng)變曲線

試驗結(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進行了各項試驗，如靜力強度、高低溫、溫度沖擊、功能振動、耐久振動、沖擊等，在試驗中和試驗后，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，試驗后在復(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)雜試驗驗證。

最后，對相同結(jié)構(gòu)的鋁合金試件和復(fù)材試件進行稱重對比，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

文中通過對某型機載發(fā)射裝置碳纖維復(fù)合材料推臂進行仿真計算和試驗，得出以下結(jié)論。

(1) 根據(jù)強度校核計算結(jié)果可知，推臂在載荷條件下滿足強度設(shè)計指標要求。按照同樣的載荷要求計算同結(jié)構(gòu)的原鋁合金材料推臂，應(yīng)變云圖變化趨勢一致，可判斷推臂結(jié)構(gòu)設(shè)計和鋪層設(shè)計滿足設(shè)計要求。

(2) 通過對復(fù)材推臂進行靜力試驗、鹽霧試驗和整機試驗驗證，結(jié)合應(yīng)變測量數(shù)據(jù)，證明其滿足強度、剛度和各種環(huán)境適應(yīng)性要求。

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