蘇斌山，張士衛(wèi)，藺紹玲，謝軍虎，張云露

(中國空空導彈研究院，河南洛陽 471009)

0 引言

近年來，以高性能增強纖維，特別是以碳纖維為增強體的樹脂基復合材料在世界上得到了快速發(fā)展[1-3]。先進復合材料有3大特點：1)各向異性和材料的可設計性；2)整體成型；3)比強度，比模量高使得它對國防建設和國民經(jīng)濟發(fā)展有極為重要的應用。就飛機設計而言，減重是其永恒的主體，而碳纖維復合材料相對鋁合金能夠帶來20%～30%的減重，這是目前其他手段所無法達到的。國際先進軍民機中，復合材料用量持續(xù)增長，主要應用復合材料的部位包括整流罩、平尾、垂尾、平尾翼盒、機翼、中前機身等[4-5]，飛機復合材料重量占比已成為衡量軍用裝備先進性的重要標志。

1 研究背景

某機載裝置進行設計時，主體結構普遍采用高強度航空鋁合金進行加工，基于輕量化和安全性的指標要求，單純采用結構優(yōu)化方法進行減重難度很大，相關領域的專家在材料應用方面做了一定的探索性研究[5]。經(jīng)論證，該機載裝置某構件推臂擬采用碳纖維復合材料進行設計，文中研究基于前期的工作，做了進一步的優(yōu)化設計研究，并進行了對比分析和試驗驗證工作。

推臂復合材料采用的纖維增強材料為日本東麗T700碳纖維單向帶預浸料(UCF)和平紋碳布；采用的基體材料為中溫固化環(huán)氧樹脂。

該推臂區(qū)別于薄壁件，屬于厚臂承力件，在前期的探索和論證階段，相關人員做了大量的基礎研究和試驗驗證工作，姚佳偉、康欣然等[6-7]對超薄T700/環(huán)氧樹脂預浸料力學性能進行了研究；張云露[8]對聚酯纖維插層對碳纖維板性能進行了探索研究；劉剛等[9]對復合材料厚壁連桿RTM成型工藝模擬及制造驗證進行了研究；藺紹玲、張云露等[10-11]制作了T700/環(huán)氧樹脂復合材料試驗標準件進行拉伸、壓縮、彎曲、層間剪切試樣，對T700層合板力學性能進行分析，并得出該材料在RTM工藝下的性能參數(shù)，并就碳纖維復合材料推臂工藝、試驗和性能進行了研究。

在前期的結構設計中，該裝置推臂零件結構形式如圖1所示，為多腹梁梯狀結構。經(jīng)過詳細的工藝分析后[11]，對該推臂大頭端三角區(qū)，工字梁部位的鋪層進行了優(yōu)化。

圖1 優(yōu)化前復材推臂

藺紹玲基于優(yōu)化前的推臂結構和性能方面進行了探索研究，并在工況(φ=8°)和(φ=22.5°)情況下進行了x方向的靜載試驗驗證，理論工況如圖2所示。

圖2 優(yōu)化前推臂理論工況

試驗結論：推臂在1.5倍單向載荷下仍能保持結構穩(wěn)定性。同時進行了80次整機作動試驗后推臂未出現(xiàn)結構破壞，其強度和剛度均滿足初始設計要求。

由于前期對推臂工況分析不夠透徹，導致在復合加載試驗時出現(xiàn)了推臂層間開裂的故障現(xiàn)象。故障件如圖3所示。

圖3 復合加載試驗時推臂層間開裂

2 工況分析與工藝優(yōu)化

詳細的分析了裝置實際使用工況，其推臂受力加載情況如圖4所示。

圖4 推臂組合加載原理圖

經(jīng)分析計算，推臂與水平線夾角θ=30°時載荷最嚴酷，此時，受載情況為：

計算此種受載情況下新構件的強度和剛度。

該推臂工藝區(qū)別于簡單的RTM鋪層工藝，屬于厚板(h>6 mm)復雜工藝，在強度計算時傳統(tǒng)的經(jīng)典層合板理論[12-17]計算難度巨大，由于零件結構的復雜性和工藝的復雜性，借助于有限元仿真估算其強度和應變難度也很大，目前通過試驗的手段來估算其強度。

經(jīng)過進一步論證，對推臂結構工藝和工況進行了重新分析計算，得出在法向載荷和彎曲載荷作用下，主推臂容易在下端C型開口處發(fā)生主梁與C梁的分層拉脫；同時，在推臂中間孔附近，也容易出現(xiàn)主梁與腹梁的分層折斷?；谝陨戏治?，對推臂結構進行了優(yōu)化改進，在保留原始接口尺寸的情況下，對推臂的原始結構采用盒型梁結構，整體分為主梁、前腹梁、后腹梁和泡沫夾芯4部分，局部凸起采用金屬件嵌套工藝，以螺接方式與推臂主體進行連接。通過改進鋪層方式和鋪層角度來增加推臂的強度及剛度，并在中間部位進行泡沫填充，整個推臂采用層合板泡沫夾芯包纏工藝進行加工，保證良好的工藝性和成型質(zhì)量可控的情況下，避免層間承載。優(yōu)化后構件選材如表1所示。

表1 構件選材表

材料規(guī)格參數(shù)如表2所示。單層預浸料復合材料體分約為58%，RTM復合材料體分約為55%。

表2 材料規(guī)格參數(shù)表

推臂優(yōu)化后結構形式如圖5所示。通過稱重，該推臂和優(yōu)化前推臂基本保持不變。

圖5 優(yōu)化后的推臂

3 試驗驗證

3.1 靜力強度試驗

為了驗證推臂性能，試驗采用專門研制的復合材料構件多點靜力加載設備進行加載，加載系統(tǒng)主要通過液壓系統(tǒng)所提供的載荷進行加載和位移的數(shù)據(jù)采集。試驗設備及器材詳見表3，試驗加載力值如表4所示。

語法隱喻最早由韓禮德提出，是系統(tǒng)功能語言學的重要分支。在功能語言學中，語言具有三大元語言功能：概念功能、人際功能和語篇功能因此，對應這三大元功能，語法隱喻同樣分為三類：概念語法隱喻、人際語法隱喻和語篇語法隱喻。本文將主要探討概念語法隱喻在動物學科英語翻譯的應用。

表3 試驗設備及器材表

表4 試驗件加載力值表

在試驗之初，由于高應變區(qū)不能準確確定，需進行仿真分析，模型結構和工藝復雜，該復材構件建模難度較大，為了快速確定高應變區(qū)，采用相同結構的各向同性鎂合金制件進行仿真參考，仿真采用ABAQUS軟件進行仿真，根據(jù)實際工況和試驗臺模擬加載方式設定邊界條件，參考點RP7距離孔軸處的距離為L=Mx/Fz=96.30 mm，約束中間剛體參考點RP3和上端剛體參考點RP1的6個自由度，在上端剛體參考點RP6處施加z向載荷，在下端剛體參考點RP7處施加x向載荷，仿真模型如圖6所示。

圖6 仿真模型和邊界條件

通過主向力和側向力的加載，其仿真后的應變云圖如圖7所示。

圖7 推臂應變云圖

根據(jù)圖7的仿真結果，確定高應變區(qū)為端頭變截面位置和中間軸孔位置，經(jīng)討論，最終確定應變片的黏貼布置方案如圖8所示。

圖8 推臂應變片粘貼位置示意圖

在圖8所示的推臂主視圖中對應位置D1，D2,…,D6，D7黏貼共計7個單向片，對稱面相對稱的位置C1，C2，…，C6黏貼6個單向片(D7對應位置不粘貼)，在俯視圖相應位置A1，A2黏貼共計2個單向應變片，共計需黏貼15個單向應變片。

將構件安裝在試驗臺上，在檢查無誤后按照編寫的試驗大綱要求進行加載，試驗加載過程如圖9所示。

圖9 推臂靜力強度試驗

在試驗過程中，按照試驗要求，共進行6次加載，用數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，用ORGRIN軟件進行數(shù)據(jù)分析，取其最大應變點C3和D6兩點處歷次加載的應變值進行分析對比，應變與加載力值之間的關系如圖10所示。

圖10 優(yōu)化后復材推臂6次加載時C3，D6點加載率-應變圖

在試驗過程中，當加載到100%時，推臂未出現(xiàn)任何異響，重復加載2次，在第3次加載時，按試驗流程加載到150%力值，最大應變發(fā)生在推臂中部C3，D6位置，并且未發(fā)生任何損壞跡象，目測推臂完好，由于暫時無條件進行無損檢測，無法確定推臂內(nèi)部是否發(fā)生破壞，需進一步進行檢測驗證。

試驗數(shù)據(jù)和圖像表明，優(yōu)化后復材推臂最大應變發(fā)生在C3，D6位置，加載到標準力值的1.5倍時，最大應變分別為ξC3/1.5=4109×10-6和ξD6/1.5=-3394×10-6，由圖像判斷，該階段屬于線彈階段，制件未發(fā)生塑變。

3.2 復合加載試驗

為了驗證推臂側向承載強度，進行復合加載試驗，試驗時模擬角速度分別為±124.97°/s(作動7次)、±140°/s(作動1次)、±160°/s(作動1次)、±180°/s(作動1次)進行試驗。

在該裝置試驗件上安裝推臂，經(jīng)綜合考慮，在安裝前選擇靜載應變較大的位置和方便監(jiān)測的位置黏貼應變片，監(jiān)測點編號沿用靜強試驗編號，以方便后期數(shù)據(jù)的整理和比對。在C2，C3，C4，C6位置各黏貼1個單向片，在45°角位置點D7和水平位置點D4黏貼2個單向片,共計需黏貼6個單向應變片，粘貼位置如圖11所示。

圖11 推臂復合加載試驗應變片粘貼位置示意圖

在試驗過程中，用數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)采集應變數(shù)據(jù)，取其應變最大值C3和C6點數(shù)值，用ORGRIN軟件進行繪圖并做數(shù)據(jù)分析，如圖12所示。

圖12 推臂復合加載試驗數(shù)據(jù)

經(jīng)分析6個測試點在復合加載角速度下的數(shù)據(jù)，第6次作動時各個點應變數(shù)據(jù)普遍偏高，通過前后數(shù)據(jù)對比，認為該誤差屬系統(tǒng)誤差所致，給予忽略。

試驗數(shù)據(jù)表明，各個點的應變整體趨勢成線性變化，認為推臂在加載條件下仍處于線彈階段。

4 結論

分別通過結構設計優(yōu)化和工藝方案優(yōu)化，對推臂進行了結構改進，并通過靜力強度試驗和復合加載試驗驗證了在質(zhì)量相當?shù)那闆r下，優(yōu)化后的復材推臂強度性能明顯優(yōu)于優(yōu)化前的推臂，并且有很大的強度裕度。

探索了高性能碳纖維復合材料在機載裝置承力件上的應用研究，更進一步為機載裝置復合材料應用奠定了基礎。