防熱承載一體化復(fù)合材料電纜罩分析及驗(yàn)證

李昱霖，安慶升，楊坤好，唐曉峰，劉龍濤

(1. 上海機(jī)電工程研究所，上海 201109;2. 上海復(fù)合材料科技有限公司，上海 201112)

0 引 言

隨著防空導(dǎo)彈的戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)不斷提升，特別是在中低空、快速響應(yīng)、靈活應(yīng)對(duì)的作戰(zhàn)背景下，對(duì)導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)件在縮小體積、減輕重量、提高力學(xué)承載性能和防熱性能以及降低生產(chǎn)維護(hù)成本等方面都提出了更為苛刻的要求[1]。導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)件采用傳統(tǒng)的金屬材料，在同時(shí)滿足剛度與防熱要求時(shí)，通常會(huì)采用增加材料分布、增涂防熱層等方案，導(dǎo)致生產(chǎn)成本提高、研制周期加長(zhǎng)、工藝復(fù)雜以及結(jié)構(gòu)件笨重且難維護(hù)，難以滿足結(jié)構(gòu)功能一體化的設(shè)計(jì)需求[2]。復(fù)合材料具有耐熱性能好、透波性強(qiáng)和低成本加工與維護(hù)的明顯優(yōu)勢(shì)，為嚴(yán)酷防熱與承載環(huán)境下防空導(dǎo)彈的結(jié)構(gòu)功能一體化設(shè)計(jì)開拓了視野，使進(jìn)一步提高防空導(dǎo)彈綜合作戰(zhàn)性能成為可能[3]。

多年來，導(dǎo)彈電纜罩大多采用鈦合金、鋁合金結(jié)構(gòu)承載，并在金屬外表面涂敷防熱涂層實(shí)現(xiàn)防熱目的[4]。但這種傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路存在質(zhì)量大、隔熱差、涂層施工成本高、涂層維護(hù)難，以及長(zhǎng)期使用耐候性難保證等諸多缺陷。近年來在先進(jìn)工藝水平發(fā)展的前提下，結(jié)構(gòu)功能一體化復(fù)合材料承載和耐熱結(jié)構(gòu)已成功用于高速導(dǎo)彈艙段、舵面、翼板等耐高溫與承載部件[5-6]。然而，針對(duì)目前的高速、長(zhǎng)航時(shí)戰(zhàn)術(shù)型號(hào)，其嚴(yán)酷的熱沖刷氣動(dòng)環(huán)境以及大過載承力需求，使復(fù)合材料功能一體化結(jié)構(gòu)的應(yīng)用受到一定限制，其材料選用、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式以及工藝方法都尚不成熟。

本文通過對(duì)復(fù)合材料的選擇，設(shè)計(jì)了一種滿足嚴(yán)酷防熱與承載環(huán)境需求的防熱承載一體化電纜罩。通過有限元仿真以及靜熱聯(lián)合試驗(yàn)，對(duì)高溫下靜力、熱荷共同作用產(chǎn)生的位移進(jìn)行了對(duì)比分析，完成了防熱及力學(xué)性能評(píng)估。結(jié)果表明本電纜罩的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，能夠滿足型號(hào)使用需求。

1 復(fù)合材料電纜罩結(jié)構(gòu)及材料

1.1 電纜罩結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)金屬電纜罩一般厚度為1～2 mm，根據(jù)熱環(huán)境不同，表面需涂1 mm以上的防熱涂層。防熱涂層多為有機(jī)類高分子材料，強(qiáng)度較低，需要用特殊的工藝手段實(shí)現(xiàn)，且飛行過程中受到氣動(dòng)沖刷力作用，存在脫落風(fēng)險(xiǎn)。本文討論了復(fù)合材料電纜罩替代傳統(tǒng)金屬電纜罩的可行性，為便于與金屬電纜罩性能參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，將復(fù)合材料電纜罩厚度設(shè)計(jì)為3 mm。

復(fù)合材料電纜罩采用功能/承載復(fù)合材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的“承載+防熱”結(jié)構(gòu)金屬材料，去除了防熱涂層，結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單、可靠。傳統(tǒng)的金屬電纜罩與復(fù)合材料電纜罩截面對(duì)比如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)金屬電纜罩與復(fù)合材料電纜罩截面對(duì)比Fig.1 Comparison of cross sections between traditional metal cable cover and the composite material cable cover

1.2 電纜罩材料

電纜罩采用2.5D石英纖維織物/硼酚醛樹脂復(fù)合材料,復(fù)合材料增強(qiáng)體中采用2.5D增強(qiáng)材料編織物。硼酚醛樹脂特點(diǎn)為高殘?zhí)柯剩?00 ℃下,鋇酚醛樹脂殘?zhí)柯蕿?6%，硼酚醛樹脂殘?zhí)柯士蛇_(dá)70%。在復(fù)合材料燒蝕過程中，殘?zhí)靠捎行ё韪敉獠繜崃鳎瑢?shí)現(xiàn)隔熱功能。用2.5D編織技術(shù)生產(chǎn)了規(guī)格為300 mm(長(zhǎng)度)×300 mm(寬度)×4 mm(厚度)的石英纖維織物/硼酚醛樹脂試片，進(jìn)行不同溫度的力學(xué)性能摸底試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 2.5D石英纖維織物/硼酚醛樹脂測(cè)試結(jié)果Tab.1 Test results of 2.5D SiO2 fiber-reinforced/phenolic resin-based composite

根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)可知，該復(fù)合材料在常溫下力學(xué)性能好，溫度升高時(shí)彎曲強(qiáng)度降低，但后續(xù)隨著溫度進(jìn)一步升高，力學(xué)性能保持穩(wěn)定，能在高溫情況下長(zhǎng)期可靠使用。同時(shí)，溫度更高時(shí)硼酚醛樹脂會(huì)碳化成一層隔熱膜，進(jìn)一步隔絕熱流，可以承受更高的溫度。

2 復(fù)合材料電纜罩結(jié)構(gòu)分析

本章根據(jù)選用的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與材料，結(jié)合實(shí)際受力工況，分解氣動(dòng)力并進(jìn)行有限元計(jì)算。由于復(fù)合材料電纜罩總長(zhǎng)度很長(zhǎng)，一般長(zhǎng)度為2 m以上。若全罩體進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)工裝及設(shè)備很難實(shí)現(xiàn)或成本極高。為了保證后續(xù)試驗(yàn)驗(yàn)證順利進(jìn)行，從氣動(dòng)力引起的電纜罩受力情況中，選取最大撓度段進(jìn)行有限元分析。

2.1 電纜罩氣動(dòng)力分解分析

電纜罩受載壓心位置距前端700 mm，合力為 5 500 N。實(shí)際氣動(dòng)環(huán)境情況下電纜罩受力為分布力，但由于電纜罩由內(nèi)部多個(gè)支耳采用螺釘連接，可將其受到的分布力等效為多個(gè)集中載荷進(jìn)行加載。因此，需要根據(jù)合力及其位置反推出螺釘連接之間的電纜罩體的等效分布?jí)毫Α?/p>

2.1.1基本假設(shè)

為了預(yù)估每段電纜罩的受力情況，在不影響計(jì)算精度的前提下對(duì)結(jié)構(gòu)做如下假設(shè)。

1) 電纜罩為剛體，忽略加工誤差和裝配誤差等，各段電纜罩剛度相等并假定為100 N/mm(可任意更改數(shù)值)。

2) 利用一維剛性梁?jiǎn)卧＃コ槐匾牡菇堑冉Y(jié)構(gòu)特征，以減少建模和分析工作量，提高計(jì)算效率。

3) 以電纜罩支耳為節(jié)點(diǎn)將電纜罩分為多段。由于支耳連接處固支，力很難傳遞至鄰段，因此假定每段中心僅受一個(gè)小的合力。將電纜罩壓心進(jìn)行分解，等效至每段電纜罩的中心位置，黃色線表示支耳所在位置，如圖2所示。

圖2 支耳螺紋連接處Fig.2 Joint of support lugs on the cable cover

2.1.2有限元模型及網(wǎng)格劃分

施加載荷是有限元分析的一個(gè)重要步驟，不同的分析類型幾乎都是以載荷(如力、溫度、速度等)作為條件，研究載荷作用下系統(tǒng)的變化情況[7]。簡(jiǎn)化后的電纜罩為剛性梁，在每段中心處加載一維線性彈簧，一端與剛性梁固連，另一端與試驗(yàn)地基固連。在總氣動(dòng)壓心位置上建立參考點(diǎn)，在參考點(diǎn)上施加作用在整個(gè)電纜罩上的氣動(dòng)合力，建立有限元模型進(jìn)行靜力分析，如圖3所示。

有限元模型共有73個(gè)單元，74個(gè)結(jié)點(diǎn)，單元種類為剛性梁?jiǎn)卧猂B3D2。

圖3 基于有限元模型的合力分解方法Fig.3 Resultant force decomposition method based on finite element model

2.1.3有限元計(jì)算結(jié)果及分析

根據(jù)圖3的有限元模型，進(jìn)行靜力分析，通過計(jì)算得到每個(gè)彈簧的支反力，該支反力即為作用在每段電纜罩中心的分力，位移云圖及各支反力大小如圖4所示。

圖4 電纜罩每段的合力位置Fig.4 Resultant force location of each segment of cable cover

撓度公式為ω=Pl3/(48EI)，其中：P為簡(jiǎn)支梁中間集中力載荷；l為簡(jiǎn)支梁長(zhǎng)度；E為彈性模量；I為截面慣矩;EI為抗彎剛度。將圖4中各段簡(jiǎn)支梁長(zhǎng)度l與集中力載荷P代入撓度公式中，可知集中力產(chǎn)生最大撓度在第五段(0.584 2/(EI))，即合力為601 N的這段電纜罩為重點(diǎn)研究段。后續(xù)的靜熱聯(lián)合分析基于該重點(diǎn)段進(jìn)行設(shè)計(jì)與試驗(yàn)驗(yàn)證。

2.2 復(fù)合材料電纜罩靜熱分析

2.2.1基本假設(shè)

為了精確快速分析電纜罩的受力情況，在不影響計(jì)算精度的前提下，本文對(duì)電纜罩重點(diǎn)段結(jié)構(gòu)進(jìn)行了如下假設(shè)。

1) 對(duì)電纜罩進(jìn)行簡(jiǎn)化，去除倒角等結(jié)構(gòu)特征，以減少建模和分析工作量，提高計(jì)算效率。

2) 采用各項(xiàng)同性材料進(jìn)行分析。根據(jù)表1中各溫度工況下的最低彎曲模量進(jìn)行仿真，得到靜熱分析時(shí)電纜罩的受力下限，從而選出250～400 ℃下最低模量10 GPa進(jìn)行計(jì)算。

3) 將電纜罩上受到的分布力均分為4點(diǎn)加載，4點(diǎn)加載合力與分布力合力相等。

2.2.2有限元模型及網(wǎng)格劃分

去除倒角的電纜罩幾何模型如圖5(a)所示。為了精確計(jì)算，有限元模型采用全六面體網(wǎng)格，并對(duì)局部應(yīng)力可能較大的區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密處理。采用C3D8R六面體單元，共計(jì)節(jié)點(diǎn)35 640個(gè)，單元25 730個(gè)。有限元模型如圖5(b)所示。

圖5 電纜罩幾何模型和六面體網(wǎng)格劃分Fig.5 Geometric model and hexahedral mesh partition of cable cover

有限元模型采用couping連接方式，再將集中力601 N×1.5≈900 N加載至參考點(diǎn)上，每點(diǎn)載荷約為230 N，用于模擬電纜罩4點(diǎn)加載的形式及合力。對(duì)4個(gè)螺釘孔進(jìn)行六自由度固支約束。具體邊界條件加載方式如圖6所示。

圖6 邊界條件加載方式Fig.6 Loading modes under different boundaries

2.2.3有限元計(jì)算結(jié)果及分析

有限元計(jì)算得到的應(yīng)力及位移云圖如圖7所示。由計(jì)算結(jié)果與表1測(cè)試結(jié)果可知，在300 ℃時(shí)電纜罩最大應(yīng)力38.78 MPa，能夠滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度180 MPa的要求；最大變形僅為0.127 2 mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖7 靜熱近似方法計(jì)算的應(yīng)力位移云圖Fig.7 Stress field and displacement distribution based on the approximate method considering thermal and load

3 復(fù)合材料電纜罩靜熱聯(lián)合試驗(yàn)

本章結(jié)合靜熱聯(lián)合試驗(yàn)驗(yàn)證上述對(duì)該復(fù)合材料電纜罩分析的正確性。試驗(yàn)主要測(cè)試了電纜罩內(nèi)部溫度TE1、TE2、TE3，外部溫度T1、T2，以及兩點(diǎn)位移W1、W2，各測(cè)試點(diǎn)位置如圖 8所示。

圖8 測(cè)試參數(shù)的位置Fig.8 Locations of test parameters

電纜罩采用熱壁熱流控制。石英燈加熱器平行于電纜罩受熱面。對(duì)熱流與時(shí)間進(jìn)行歸一化處理，處理后的熱流曲線見圖9。

靜熱聯(lián)合試驗(yàn)時(shí)，對(duì)復(fù)材電纜罩加熱過程中同時(shí)加載力載荷，簡(jiǎn)化分布載荷為4點(diǎn)集中力，每點(diǎn)230 N，共計(jì)920 N。試驗(yàn)后電纜罩如圖10所示，復(fù)合材料電纜罩表面完好無損，且在高溫下表面碳化。

圖9 熱壁熱流曲線Fig.9 Heat flux curve of hot wall

圖10 試驗(yàn)完成后的電纜罩及加載爪Fig.10 Cable cover and loading tool after test

試驗(yàn)過程中的位移及溫度曲線如圖11所示。

圖11 試驗(yàn)過程中的位移、溫度隨時(shí)間變化Fig.11 Displacement and temperature change with time in the test

由試驗(yàn)結(jié)果可知：

1) 靜熱聯(lián)合試驗(yàn)中，試驗(yàn)后被試件外觀檢查無明顯變化，最大位移為0.18 mm，滿足使用需求。試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算值的微小差別是由于試驗(yàn)過程中最高溫度達(dá)到了370 ℃，而理論計(jì)算假設(shè)溫度為300 ℃。

2) 內(nèi)溫TE3的溫度比TE1、TE2低，且有延時(shí)。這是由于此處外表面布置了測(cè)量外溫的傳感器，其瓷管線對(duì)瞬態(tài)測(cè)溫產(chǎn)生了影響。

3) 試驗(yàn)后的電纜罩表面出現(xiàn)了黑色碳化物，由于碳化物能夠在高溫下發(fā)生氣化，帶走部分熱流，因此碳化后的電纜罩能進(jìn)一步提高防熱性能。

綜上所述，經(jīng)過靜熱聯(lián)合試驗(yàn)的驗(yàn)證，本電纜罩的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，能夠滿足使用需求。

4 與傳統(tǒng)電纜罩力學(xué)性能對(duì)比

國(guó)內(nèi)外公開的文獻(xiàn)資料中對(duì)復(fù)合材料電纜罩應(yīng)用的報(bào)道較少。國(guó)內(nèi)，復(fù)合材料電纜罩在運(yùn)載系列上應(yīng)用較多。本文設(shè)計(jì)的復(fù)合材料電纜罩試樣與某型號(hào)傳統(tǒng)金屬電纜罩性能對(duì)比如表 2所示。

表2 本文設(shè)計(jì)的復(fù)合材料電纜罩與某型號(hào)傳統(tǒng)金屬電纜罩性能對(duì)比Tab.2 Comparison of composite material cable cover in this paper and traditional metal cable cover

表2中對(duì)比結(jié)果表明：復(fù)合材料電纜罩結(jié)構(gòu)承力與防熱性能與某型號(hào)傳統(tǒng)金屬電纜罩的主要性能相當(dāng)，甚至在某些方面能夠超越。與某型號(hào)傳統(tǒng)金屬電纜罩相比，本復(fù)合材料電纜罩質(zhì)量輕(比同尺寸鋁合金實(shí)心結(jié)構(gòu)輕40%以上)，無需采用工藝復(fù)雜、成本較高的防熱涂料，可以直接防止導(dǎo)彈高速飛行時(shí)產(chǎn)生的氣動(dòng)熱滲入復(fù)合材料內(nèi)部，提高導(dǎo)彈高速飛行時(shí)的耐熱能力。同時(shí)，無需增涂膩?zhàn)樱芍苯映惺芨蟮臍鈩?dòng)力，可用于更高馬赫數(shù)的導(dǎo)彈，具有很好的應(yīng)用價(jià)值和前景。

5 結(jié)束語

本文討論的復(fù)合材料電纜罩樣件，比傳統(tǒng)金屬電纜罩質(zhì)量輕，無需防熱涂層，防隔熱性好，并通過了靜力試驗(yàn)、熱試驗(yàn)驗(yàn)證。該電纜罩滿足了戰(zhàn)術(shù)型號(hào)零部件的防熱、隔熱、承載一體化需求，對(duì)改進(jìn)產(chǎn)品性能、提升產(chǎn)品戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)以及開展新領(lǐng)域戰(zhàn)術(shù)型號(hào)產(chǎn)品的研制意義重大。