耐高溫復(fù)合材料艙體口蓋設(shè)計(jì)方法研究

張國(guó)慶，羅楚養(yǎng)，胡凱征

（中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽(yáng) 471009）

1 引言

由于復(fù)合材料具有重量輕、強(qiáng)度高、可設(shè)計(jì)、抗疲勞，易于實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)功能于一體等特點(diǎn)，在航空航天領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

隨著導(dǎo)彈飛行速度不斷提高，飛行時(shí)間不斷增長(zhǎng)，高馬赫數(shù)下長(zhǎng)時(shí)間飛行的氣動(dòng)加熱環(huán)境日益嚴(yán)酷，彈體結(jié)構(gòu)必須采用耐高溫材料。耐高溫的先進(jìn)聚合物基復(fù)合材料已經(jīng)用于各種類型導(dǎo)彈的彈體和彈翼的研制[1]。國(guó)外在20 世紀(jì)80 年代就已開始研究超聲速戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈用先進(jìn)聚合物基復(fù)合材料[2]。美國(guó)空軍材料實(shí)驗(yàn)室已采用聚酰亞胺/玻纖和聚酰亞胺/碳纖維制造近程空空導(dǎo)彈彈體和彈翼，飛行模擬試驗(yàn)表明它們均滿足氣動(dòng)加熱環(huán)境要求；美國(guó)麥道公司研制的聚苯并咪唑/碳纖維彈翼，在4Ma 的風(fēng)洞試驗(yàn)中完整無(wú)損，在4.4Ma 狀態(tài)下經(jīng)受了350s 試驗(yàn)，在15°攻角下（前緣溫度704℃）試驗(yàn)100s 彈翼狀態(tài)依然良好[3]。

目前，國(guó)內(nèi)耐350℃聚酰亞胺樹脂HT-350 具有優(yōu)異的工藝性能，其熱分解溫度高達(dá)546℃。AC721/CCF300 聚酰亞胺基碳纖維復(fù)合材料在350℃的徑向拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度均可達(dá)1200MPa，滿足空空導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)高溫受力要求。

對(duì)某復(fù)合材料艙段殼體進(jìn)行屈曲載荷分析，殼體開口位置首先發(fā)生失穩(wěn)，且開口位置應(yīng)力較大。復(fù)合材料殼體與口蓋底座之間是通過(guò)緊固件連接，選擇合適的復(fù)合材料殼體開孔和緊固件型號(hào)及規(guī)格將直接決定結(jié)構(gòu)的連接強(qiáng)度。通過(guò)對(duì)典型復(fù)合材料試驗(yàn)件進(jìn)行試驗(yàn)，獲取復(fù)合材料試件不同的開孔形式和不同緊固件對(duì)應(yīng)的承載能力，為復(fù)合材料艙體開口位置設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持。

2 艙段載荷及復(fù)合材料殼體建模

2.1 艙段載荷

某導(dǎo)彈艙段殼體原本是鈦合金，外徑為200mm，壁厚1mm，艙段長(zhǎng)度為210mm，在艙體正下方有一個(gè)（30×85）的口蓋，口蓋開口距后對(duì)接面約58mm。

根據(jù)氣動(dòng)載荷數(shù)據(jù)，僅考慮氣動(dòng)力的作用，該艙段的使用載荷為F1=10383N，作用點(diǎn)距前對(duì)接面159mm；考慮氣動(dòng)力和慣性力的共同作用，則該艙段的使用載荷為F2=4383N，作用點(diǎn)距前對(duì)接面390mm，如圖1 所示。

圖1 艙體載荷Fig.1 Cabin Load

2.2 復(fù)合材料殼體設(shè)計(jì)

為保證復(fù)合材料艙體的連接強(qiáng)度和互換性，艙體前后框設(shè)計(jì)為鈦合金，中間殼體設(shè)計(jì)為復(fù)合材料。艙體前后鈦合金框采用機(jī)械加工，其機(jī)械接口與原鈦合金殼體一致。

通過(guò)理論分析，復(fù)合材料殼體與鈦合金框直接搭接或嵌套搭接在軸向均不能承受較大載荷，在彎曲載荷下，容易開裂。為確保鈦合金前后框與復(fù)合材料殼體之間的連接強(qiáng)度，將鈦合金前后框與復(fù)合材料殼體之間的接口設(shè)計(jì)為錐面嵌套連接，這種連接形式可承受較大的彎曲載荷和軸向載荷，連接強(qiáng)度高。

3 復(fù)合材料殼體屈曲載荷分析

由于復(fù)合材料殼體在兩端對(duì)接段是加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，在彎曲載荷下，殼體在中間開口處通常首先發(fā)生失穩(wěn)。對(duì)開口處局部進(jìn)行增厚，能夠提高艙段的屈曲載荷。此外，因殼體開口位置設(shè)計(jì)有口蓋底座，底座通過(guò)緊固件與復(fù)合材料殼體連接，開口位置局部增厚也能提高連接強(qiáng)度。

仿真分析時(shí)對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，不考慮兩端接口處的影響。外載荷選用最嚴(yán)酷狀態(tài)下的載荷，即F1=10383N。殼體材料為AC721/CCF300，AC721 為聚酰亞胺樹脂牌號(hào)；CCF300 為碳纖維牌號(hào)。艙段殼體厚度為1.5mm，鋪層為［45/0/-45/0/90/0/-45/0/45］，開口處局部加厚1.5mm，鋪層為［45/0/-45/0/90/0/-45/0/45］，采用S8R8 節(jié)點(diǎn)縮減積分殼單元，單元大小為5mm。復(fù)合材料殼體1階屈曲載荷3.5 倍于其使用載荷，因此屈曲破壞并不是復(fù)合材料艙段的主要失效形式，在不考慮氣動(dòng)熱的情況下，設(shè)計(jì)時(shí)可以不考慮屈曲破壞，如表1 所示。

圖3 復(fù)合材料殼體前2 階屈曲模量Fig.3 First 2 Order Buckling Modulus of Composite Shell

圖4 復(fù)合材料殼體的應(yīng)力分布Fig.4 Stress Distribution of Composite Shell

表1 開口處前2 階屈曲特征值Tab.1 First 2 Order Buckling Eigenvalues of Cover

開口處的應(yīng)力值，最大應(yīng)力449.2MPa，如表2 所示。開口位置口蓋底座與復(fù)合材料殼體連接，因此，連接件和復(fù)合材料殼體之間的破壞應(yīng)力應(yīng)該超過(guò)449.2MPa 才能滿足復(fù)合材料殼體的受力要求。

表2 開口處應(yīng)力值Tab.2 Stress at Cover

4 復(fù)合材料殼體口蓋設(shè)計(jì)

4.1 口蓋連接形式

為了便于產(chǎn)品測(cè)試、維護(hù)、升級(jí)、檢修等，彈體各艙段都設(shè)計(jì)有口蓋。口蓋位置設(shè)計(jì)有底座，底座與殼體之間通過(guò)焊接、螺釘或鉚接等方式連接。傳統(tǒng)彈體是金屬材料，如合金鋼、鋁合金、鈦合金等，底座與殼體之間可以通過(guò)焊接連接。彈體改用復(fù)合材料以后，復(fù)合材料殼體與口蓋底座只能通過(guò)螺釘或鉚釘連接，即復(fù)合材料殼體上加工孔，口蓋底座上加工螺紋孔或通孔，通過(guò)螺釘或鉚釘將口蓋底座與復(fù)合材料殼體連接在一起，如圖5 所示。口蓋再與底座通過(guò)螺釘連接，實(shí)現(xiàn)彈體密封要求。鉚釘材料一般有鋼和鋁合金。常用的鋁合金鉚釘連接強(qiáng)度較低（不足400MPa）。鉚釘鉚接較復(fù)雜，勞動(dòng)強(qiáng)度大，需要專用設(shè)備[4]，對(duì)于口蓋底座這種規(guī)格較小的零件不適用。此外，鉚接過(guò)程中沖擊力較大，鉚釘帽被擠壓變形[4]，容易擠壓復(fù)合材料殼體造成裂紋。因此，選擇螺釘連接最為合適。

圖5 口蓋底座與殼體螺釘連接Fig.5 Screw Connection Between Cover Base and Shell

復(fù)合材料殼體是層狀結(jié)構(gòu)，各向異性。復(fù)合材料殼體模壓成型后，在殼體上打孔的類型和直徑將直接決定其連接強(qiáng)度。同時(shí)，采用緊固件連接后螺帽在艙體外，選擇盤頭或者圓柱頭螺釘，螺帽突出彈體表面較高，不僅會(huì)增加氣動(dòng)阻力，而且給后期彈體表面維護(hù)帶來(lái)麻煩。所以選擇沉頭螺釘或扁圓頭螺釘是最合適的。螺釘規(guī)格一般選M4 或M5。選擇沉頭螺釘，復(fù)合材料殼體上打90°沉頭孔。選擇扁圓頭螺釘，螺釘帽稍微突出彈體表面，復(fù)合材料殼體上直接打光孔。

4.2 理論分析

復(fù)合材料構(gòu)件主要靠復(fù)合材料中的增強(qiáng)材料（纖維）承力。復(fù)合材料中的基體材料（如金屬基體、非金屬基體等）作為連續(xù)相材料，起到粘結(jié)、均衡載荷、分散載荷、保護(hù)增強(qiáng)體的作用[5]。復(fù)合材料構(gòu)件在承力時(shí)，失效過(guò)程一般是基體材料開裂，基體與纖維界面脫粘，纖維層斷裂。因此，復(fù)合材料構(gòu)件在受力時(shí)應(yīng)該避免應(yīng)力集中，促進(jìn)基體材料和纖維之間的粘合。

復(fù)合材料殼體與口蓋底座選用沉頭螺釘或扁圓頭螺釘連接，當(dāng)受到剪切力作用時(shí)，復(fù)合材料殼體的受力是不一樣的。如圖6 所示。選用沉頭螺釘，螺釘頭部的錐面對(duì)復(fù)合材料殼體90°沉頭孔錐面直接擠壓，考慮到應(yīng)力集中，沉頭螺釘容易造成復(fù)合材料纖維斷口處提前開裂。選用偏圓頭螺釘，螺釘?shù)穆輻U面擠壓復(fù)合材料殼體上孔的圓柱面，同時(shí)在螺釘?shù)念A(yù)緊力作用下，螺帽對(duì)孔周邊產(chǎn)生向下的預(yù)壓力。顯然，周向預(yù)壓力能夠強(qiáng)化復(fù)合材料殼體基材與纖維之間的粘合，不容易使基材開裂，能夠提高復(fù)合材料殼體的連接強(qiáng)度。

圖6 螺釘連接受力分析Fig.6 Force Analysis of Screw Connection

5 復(fù)合材料試件試驗(yàn)

復(fù)合材料試件選用AC721/CCF300，AC721 為聚酰亞胺樹脂牌號(hào)；CCF300 為碳纖維牌號(hào)。通過(guò)前期的仿真計(jì)算和理論分析，設(shè)計(jì)具有代表性的三種規(guī)格試驗(yàn)件，每種規(guī)格試驗(yàn)件做10 件，其中5 件用于拉伸試驗(yàn)，另外5 件用于壓縮試驗(yàn)。試驗(yàn)件總計(jì)30件。螺釘強(qiáng)度均為8.8 級(jí)。試驗(yàn)件規(guī)格參數(shù)，如表3 所示。

表3 試驗(yàn)件規(guī)格參數(shù)Tab.3 Specification Parameters of Test Pieces

5.1 試件拉伸試驗(yàn)

拉伸試驗(yàn)試件1 編號(hào)：9-1～9-5；試件2 編號(hào)：13-1～13-5；試件3 編號(hào)：33-1～33-5。其靜力拉伸試驗(yàn)曲線，如圖7 所示。

圖7 試件拉伸試驗(yàn)曲線Fig.7 Sample Tensile Test Curve

表4 試件拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)（平均）Tab.4 Tensile Test Data（Average）

5.2 試件壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)

壓縮試驗(yàn)試件1 編號(hào)：10-1～10-5；試件2 編號(hào)：14-1～14-5；試件3 編號(hào)：34-1～34-5。其靜力壓縮試驗(yàn)曲線，如圖8 所示。試件壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)（平均），如表5 所示。

圖8 試件壓縮試驗(yàn)曲線Fig.8 Sample Compression Test Curve

表5 試件壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)（平均）Tab.5 Compression Test Data（Average）

5.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

從試件的拉伸和壓縮試驗(yàn)曲線可以看出，在加載初期，載荷與位移之間存在非線性響應(yīng)關(guān)系，這是由于隨著載荷逐漸增大，螺釘與復(fù)合材料板材孔間的基材壓潰產(chǎn)生位移突變；在中間階段，載荷與位移之間為線性響應(yīng)關(guān)系；達(dá)到一定載荷后，層合板在孔邊受壓處發(fā)生擠壓破壞，并隨著位移增加能繼續(xù)承力，曲線有上下波動(dòng)段。三種試件的靜力拉伸破壞載荷對(duì)應(yīng)的擠壓強(qiáng)度分別為644.00MPa、619.38MPa 和210.51MPa。三種試件的靜力壓縮破壞載荷對(duì)應(yīng)的擠壓強(qiáng)度分別為700.39MPa、721.41MPa 和403.45MPa。從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，同樣的復(fù)合材料厚度，選用扁圓頭螺釘M4 或M5，其承載能力均超過(guò)600MPa，如圖9 所示。

圖9 試件拉伸試驗(yàn)破壞Fig.9 Specimen Tensile Test Failure

選用沉頭螺釘M4，復(fù)合材料板厚3，孔的直徑5.9（平均），其承載能力較低，不能滿足使用要求。通過(guò)試件試驗(yàn)，復(fù)合材料殼體與口蓋底座選用扁圓頭M4 或M5 的螺釘連接，即復(fù)合材料殼體開孔直徑4.3 或5.3 均可滿足設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)論

先進(jìn)復(fù)合材料將大量應(yīng)用于導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)，包括艙段，發(fā)動(dòng)機(jī)殼體，舵翼面[6-7]等主要承力部件。對(duì)某導(dǎo)彈艙段殼體進(jìn)行復(fù)合材料建模設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)復(fù)合材料艙段殼體進(jìn)行屈曲仿真分析，發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料殼體開口位置首先發(fā)生失穩(wěn)變形，但屈曲載荷遠(yuǎn)大于使用載荷，可以不考慮屈曲破壞。艙段開口位置存在應(yīng)力集中，最大應(yīng)力接近450MPa。

通過(guò)理論分析，復(fù)合材料殼體與口蓋底座之間通過(guò)扁圓頭或沉頭螺釘連接最合適。最后，設(shè)計(jì)和加工扁圓頭螺釘試驗(yàn)件和沉頭螺釘試驗(yàn)件。從試件的拉伸和壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出口蓋底座與復(fù)合材料殼體之間選用沉頭螺釘M4，即使復(fù)合材料板材厚度為3mm，其連接強(qiáng)度低于400MPa，無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求。而選用扁圓頭螺釘M4 或M5，其連接強(qiáng)度均超過(guò)600MPa，能夠滿足艙段開口位置的受力要求。