無人機復(fù)合材料保護罩的設(shè)計與制造問題探索

（首鋼集團有限公司礦業(yè)公司職工子弟學(xué)校，河北遷安 064404）

0.引言

實現(xiàn)飛機輕量化，減少重量和使用的燃油是航空航天技術(shù)發(fā)展必不可少的一環(huán)。采用輕質(zhì)材料實現(xiàn)輕量化是其中的途徑之一。

性能優(yōu)異的新材料可以提高飛機性能，如輕型技術(shù)材料和復(fù)合材料，可以減輕飛機重量，提高飛機的性能延長使用壽命。本世紀開始，復(fù)材用量已成為衡量飛機先進性的重要標志[1]。碳纖維復(fù)合材料是以樹脂為基體，碳纖維為增強體的復(fù)合材料，被廣泛應(yīng)用于軍事、民用各個領(lǐng)域，尤其是航空航天領(lǐng)域后，展現(xiàn)出的優(yōu)異特性使它成為一種不可或缺，同時又不可多得的多功能的特種工程材料[2]。由于碳纖維復(fù)合材料具有耐高溫，比強度高和比模量高等力學(xué)特性，常被應(yīng)用于火箭的排氣錐體、發(fā)動機蓋、殼體、燃燒室、發(fā)動機噴管以及設(shè)備保護罩等部位[2]。

電子設(shè)備保護罩位于旋翼無人機底部，是它保護光電設(shè)備等部件在飛行過程中免受外界環(huán)境影響的保護性結(jié)構(gòu)，同時也是飛行器主體的一部分。本文嘗試使用碳纖維復(fù)合材料制作保護罩以提升飛機保護罩的原有性能，碳纖維復(fù)合材料具有高強度、比重小、可設(shè)計性強、環(huán)境適應(yīng)性強等優(yōu)點，預(yù)計可以減輕飛機保護罩重量，優(yōu)化飛機保護罩性能，延長飛機使用壽命[3]。

1.保護罩優(yōu)化設(shè)計

1.1 鋁合金保護罩和碳纖維復(fù)合材料保護罩強度對比分析

利用計算軟件對1.5mm厚鋁合金保護罩設(shè)計方案與1.5mm厚碳纖維復(fù)合材料設(shè)計方案進行對比，發(fā)現(xiàn)在同樣的外壓載荷下，碳纖維復(fù)合材料相比鋁合金保護罩強度更高（剩余強度百分比更大），并且受力集中于保護罩邊緣區(qū)域，如圖1所示。

圖1 同樣厚度鋁合金保護罩與復(fù)合材料保護罩的靜強度分析

由于碳纖維復(fù)合材料密度（1.55g/cm3）相比鋁合金材料密度（2.7g/cm3）低了42%左右，因此通過把鋁合金結(jié)構(gòu)優(yōu)化為碳纖維結(jié)構(gòu)，保護罩厚度不變，實現(xiàn)了42%的減重。

1.2 碳纖維復(fù)合材料保護罩減重優(yōu)化

為了讓飛機結(jié)構(gòu)進一步減重，需要對復(fù)合材料保護罩進行進一步優(yōu)化設(shè)計，使其輕量化程度更好，上一節(jié)分析中，碳纖維復(fù)合材料的剩余強度超過24%，因此可以繼續(xù)降低復(fù)合材料厚度，使得剩余強度更低，從而降低設(shè)計冗余度實現(xiàn)減重。

最終經(jīng)過進一步仿真計算發(fā)現(xiàn)，可以通過優(yōu)化保護罩厚度到1.4mm，壓縮設(shè)計中的剩余強度，可進一步實現(xiàn)了6.7%減重，減重后復(fù)合材料整流罩應(yīng)變云圖如圖2所示，該結(jié)構(gòu)仍保有13.5%剩余強度，剩余強度較為合理[4]。

圖2 碳纖維復(fù)合材料保護罩（1.4mm）應(yīng)變云圖

優(yōu)化展望：根據(jù)上一節(jié)的受力分析我們可以發(fā)現(xiàn)碳纖維保護罩邊緣區(qū)域受力較大，其他區(qū)域受力較小，因此可以考慮保持邊緣區(qū)域厚度同時降低其他區(qū)域厚度，實現(xiàn)進一步減重，本工作考慮制造和試驗成本，暫時不進行進一步優(yōu)化。

2.實驗器材

實驗器材見表1，表1列出了實驗材料（鋁合金及碳纖維復(fù)合材料）的拉伸模量、拉伸強度、密度、比剛度和比強度。

表1 實驗材料及指標介紹

3.實驗步驟

實驗步驟主要包括：保護罩三維結(jié)構(gòu)及樣板繪制，鋪層設(shè)計，數(shù)據(jù)模擬與比較。

3.1 保護罩三維結(jié)構(gòu)及樣板繪制

使用NX10.0軟件對保護罩進行設(shè)計，便于測試保護罩的剛度、強度，剩余強度以及許用值。保護罩高74mm，直徑550mm。保護罩模型如圖3。

圖3 保護罩樣板繪制圖

3.2 進行鋪層設(shè)計

鋪層設(shè)計是根據(jù)復(fù)合材料各向異性設(shè)計，從而避免應(yīng)力集中，有利于載荷擴散。制作保護罩過程中需要使用預(yù)浸料鋪層，預(yù)浸料是通過熱熔法把碳纖維布和固態(tài)樹脂膜先壓緊預(yù)浸，形成預(yù)浸料。將預(yù)浸料糊在護罩殼模具上。

鋪層過程需要考慮鋪層間隙控制和畸變控制等情況。預(yù)浸料和預(yù)浸料的間隙不能過大，否則會影響密封效果，可能出現(xiàn)氣流擾動，引起保護罩與其支撐骨架的震動，最終可能對其結(jié)構(gòu)造成破壞。實驗中出現(xiàn)間隙時用下一層預(yù)浸料將間隙蓋住，以此對間隙進行控制。

鋪層時還需要充分考慮面板材料單層厚度和規(guī)格，在實驗中我使用的是0.2mm的預(yù)浸料，需要鋪7層。每個鋪層的空隙處都會被下一鋪層的預(yù)浸料蓋住，以保證保護罩完全被鋪層覆蓋。

手鋪完成后將外面的模具扣起來，加熱加壓固化后就形成保護罩產(chǎn)品了。

4.討論與分析

通過軟件模擬，碳纖維復(fù)合材料制作的保護罩和鋁合金制作的保護罩相比，剩余強度比鋁合金保護罩增加9%，減重42%。

此外，我在保證可靠性的提前下，通過優(yōu)化保護罩厚度降低剩余強度，實現(xiàn)了進一步減重6.7%，剩余強度不低于13%（剩余強度在10%到20%之間較為合理）。

5.結(jié)語

實驗通過改變保護罩的材料以及厚度，實現(xiàn)了保護罩的輕量化。通過把鋁合金結(jié)構(gòu)優(yōu)化為碳纖維結(jié)構(gòu)，保護罩厚度不變，實現(xiàn)了42%的減重；通過優(yōu)化保護罩厚度，壓縮設(shè)計中的剩余強度，又實現(xiàn)了6.7%的進一步減重。