碳纖維增強復合材料發(fā)射筒設計研究

安慶升，孫立東，武秋生

（上海機電工程研究所，上海 201109）

0 引言

箱（筒）式發(fā)射技術是當今世界上流行的、先進的發(fā)射裝置設計技術。因其能夠有效地提高導彈武器系統(tǒng)的貯存可靠性，并具有全天候適應能力及戰(zhàn)場快速反應能力等優(yōu)點，被當今各種陸基和艦載先進導彈武器系統(tǒng)采用［1-3］。隨著導彈技術的快速發(fā)展，對發(fā)射箱（筒）的體積、質量、環(huán)境適應性等方面也提出更為嚴格的要求。由于復合材料具有高比強、高比模、結構可設計等優(yōu)點，國內(nèi)外專家就復合材料在大截面、長尺寸的戰(zhàn)略導彈發(fā)射筒應用方面開展了大量的研究工作，并獲得了成功。其中：美國MX戰(zhàn)略導彈的發(fā)射筒長22.4 m、直徑2.5 m，采用高強度鋼時，其結構質量超過100 t，而選用碳纖維/環(huán)氧樹脂復合材料時結構質量僅為21 t；俄羅斯SS-20和SS-25戰(zhàn)略導彈發(fā)射筒，均采用玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復合材料；我國戰(zhàn)略導彈發(fā)射筒也采用樹脂基復合材料，比鋁合金發(fā)射筒輕28%。發(fā)射筒采用纖維增強復合材料，可以很好地解決金屬結構筒體存在的重量大、焊接變形、易銹蝕等問題，是未來主要發(fā)展趨勢之一［4］。

復合材料發(fā)射筒經(jīng)過幾十年的發(fā)展，其應用已經(jīng)從戰(zhàn)略導彈型號逐漸發(fā)展到戰(zhàn)術型號。對戰(zhàn)術導彈機動性要求的不斷提高，對地面發(fā)射裝備質量的限制也愈加嚴酷，這為戰(zhàn)術導彈復合材料發(fā)射筒的應用提供了更多機會［5］。美國陸軍多管火箭系統(tǒng)（multiple launch rocket system，MLRS）戰(zhàn)術導彈發(fā)射筒、“愛國者”PAC-3 導彈發(fā)射筒均采用了復合材料；另外，國內(nèi)外便攜式輕型導彈武器系統(tǒng)的發(fā)射筒，目前普遍采用玻纖增強樹脂基復合材料，如果采用碳纖維增強復合材料，可以實現(xiàn)減重30%。

復合材料發(fā)射筒原材料及成型技術日趨成熟，大多采用機械設備纏繞和自動鋪放技術。自動化成型可大大提高復合材料制品的生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本，從而實現(xiàn)批量生產(chǎn)，產(chǎn)品質量和可靠性得到有效保證，復合材料輕質高強、便于成型等優(yōu)異性能也得到了充分發(fā)揮［6］。

近十年來，隨著T700、T800等高強碳纖維實現(xiàn)國產(chǎn)化，碳纖維原材料成本有了較大幅度下降，碳纖維復合材料制品在軍用和民用領域的應用得到了突飛猛進的發(fā)展，碳纖維復合材料發(fā)射筒產(chǎn)品及成型技術在國內(nèi)航天型號上也得到了更多的應用和推廣。本文基于有限元分析及試驗驗證手段，開展了碳纖維復合材料發(fā)射筒的設計研究，為類似發(fā)射筒的產(chǎn)品設計提供一定的參考。

1 發(fā)射筒設計要求

發(fā)射筒設計要求為：

1）工作溫度-40 ℃～+50 ℃、貯存溫度-50 ℃～+70 ℃。

2）筒體工作內(nèi)壓不大于1.5 MPa。

3）筒內(nèi)充0.12 MPa（絕對壓力）氣壓時保持24 h后壓降不大于10%。

4）筒體質量不大于600 kg。

5）內(nèi)表面能夠耐高溫、高速燃氣流沖刷，應保證至少能使用3次。

6）能夠承受以下發(fā)射、吊裝和運輸工況載荷：

（1）發(fā)射工況：筒口沖擊力18 t，時間15 ms；

（2）吊裝工況：最大過載2.4g；

（3）運輸工況：軸向過載±3.5g；橫向過載±2g；法向過載±3g。

7）工藝性、維修性好，能夠確保在貯存、運輸、使用和維護時的安全性。

2 發(fā)射筒設計

2.1 筒體結構與組成

發(fā)射筒筒體結構設計主要根據(jù)導彈外形結構、彈翼分布、導彈在筒內(nèi)的支撐與導向方式以及其他使用要求進行。筒體截面形狀為圓形；發(fā)射筒內(nèi)壁需能耐受高溫燃氣流沖刷和多次使用要求，筒內(nèi)壁選用了金屬內(nèi)襯，外層承載結構采用碳纖維/環(huán)氧樹脂復合材料；考慮到筒前端受到較大的沖擊載荷，發(fā)射筒前、后法蘭選用高強鋁合金；筒體設計有前、后吊裝箍，保證發(fā)射筒的起吊和放置，吊裝箍為高強鋁合金材料。發(fā)射筒筒體由金屬內(nèi)襯、復材結構層、前法蘭、后法蘭、環(huán)筋、前吊裝箍、后吊裝箍等組成，見圖1。

圖1 發(fā)射筒外形結構Fig.1 Structure of the launch tube

2.2 筒體結構設計

當前國內(nèi)外發(fā)射筒筒體材料仍以金屬材料為主。金屬材料發(fā)射筒雖然具有強度高的優(yōu)點，但也存在著質量大、耐腐蝕性差、焊接易變形、設計自由度差等缺點。纖維增強復合材料發(fā)射筒的可設計性強，在不改變筒體外形尺寸的前提下，可通過改變纖維材料、纖維層厚度比和纏繞角度等方法，設計出不同的纖維增強復合材料結構的發(fā)射筒，能有效改善發(fā)射筒的剛度、強度和抗沖擊等力學性能。纖維增強復合材料發(fā)射筒設計過程見圖2。

圖2 纖維增強復合材料發(fā)射筒設計過程Fig.2 Design process of fiber reinforced composite launch tube

2.2.1材料設計

對于復合材料薄壁筒體，在滿足力學性能的同時，還應滿足耐燒蝕、電磁屏蔽、耐環(huán)境等功能要求，因此必須充分注重其結構、功能一體化鋪層設計。復合材料發(fā)射筒鋪層結構由耐燒蝕層、復材結構層和屏蔽層組成，見圖3。其中：耐燒蝕層位于筒體內(nèi)壁，采用可成型耐高溫燒蝕層（如高硅氧/酚醛復材5-Ⅲ橡膠非金屬材料）或鋁、鋼等金屬內(nèi)襯；復材結構層采用高強玻纖、芳綸纖維、碳纖維/環(huán)氧樹脂或乙烯基樹脂；屏蔽層可以采用銅網(wǎng)或碳纖維等導電材料（碳纖維/環(huán)氧材料導電性與半導體導電性相當，根據(jù)屏蔽要求選用）。本文碳纖維增強復合材料發(fā)射筒筒體的材料設計，采用以碳纖維為增強體、環(huán)氧樹脂為基體制作筒體的復材結構層，以鋼內(nèi)襯作為耐燒蝕層和屏蔽層，法蘭、吊裝箍等輔件采用高強鋁合金材料。

圖3 復合材料發(fā)射筒鋪層結構Fig.3 Laying structure of composite material launch tube

2.2.1.1 原材料選擇

1）增強體材料。復合材料發(fā)射筒所用的主要增強材料通常為玻璃纖維、芳綸纖維和碳纖維。其中，碳纖維是一種高性能的纖維材料，具有低密度、高比強度、高比模量、耐高溫、抗化學腐蝕、低電阻、高導熱、低熱膨脹等特性。碳纖維增強復合材料具有質量小、比強度高、比剛度高、抗沖擊等優(yōu)異性能，已在航空、航天領域得到大量應用［7-8］。T700 碳纖維主要性能見表1。

表1 T700碳纖維主要性能Tab.1 Main properties of the carbon fiber T700

2）基體材料。環(huán)氧樹脂強度高、工藝性好、耐高低溫性能優(yōu)異，是發(fā)射筒類產(chǎn)品首選基體材料。環(huán)氧樹脂基體性能見表2。

3）成型工藝［9］。復合材料發(fā)射筒以鋼內(nèi)襯為芯模，外纏碳纖維/環(huán)氧樹脂復合材料為結構層，在150 ℃下，經(jīng)歷10 h，高溫固化成型。復合材料發(fā)射筒采用自動化設備連續(xù)纖維成型，工藝簡便且材料制造和制品成型同時完成，體現(xiàn)了復合材料制品的材料、設計和制造三者間的密切關系。

2.2.1.2 單向及層合復合材料性能

1）單向復合材料性能。根據(jù)上述材料及工藝制作T700 碳纖維/環(huán)氧樹脂單向復合材料，其材料性能見表3～4。

表3 T700碳纖維/環(huán)氧樹脂NOL環(huán)性能Tab.3 NOL ring properties of the carbon fiber T700/epoxy resin

表4 T700碳纖維/環(huán)氧樹脂復合材料單向板性能Tab.4 Unidirectional plate properties of the carbon fiber T700/epoxy resin composite material

2）鋪層復合材料性能［10-11］。對發(fā)射筒筒體進行鋪層設計，經(jīng)過優(yōu)化確定鋪層為±25°/90°/±25°/±25°/±45°/90°，共計15 層，總厚度為5.5 mm。由表4 單向板性能測試結果（EL=130 GPa，ET=10 GPa，GLT=4 GPa，υLT=0.28），按照層合板理論，經(jīng)計算得到發(fā)射筒筒體的彈性性能為：Ex=58.09 GPa；Eθ=29.36 GPa；Gxθ=21.75 GPa。其中：EL為單向板纖維方向（L）的彈性模量；ET為單向板垂直于纖維方向（T）的彈性模量；GLT為單向板面內(nèi)縱橫剪切模量；υLT為單向板在LT方向的泊松比；Ex為發(fā)射筒軸向彈性模量；Eθ為發(fā)射筒環(huán)向彈性模量；Gxθ為發(fā)射筒xθ向剪切模量。

2.2.2結構建模計算

2.2.2.1 計算輸入

1）結構及形狀。筒體為圓筒狀的雙層復合結構，內(nèi)襯厚度1.5 mm；外層為厚度5.5 mm 的碳纖維/環(huán)氧樹脂復材結構層；復材結構層外纏繞9 根復材環(huán)筋，前、后法蘭為鋁制，吊裝箍位于其中2 只復材環(huán)筋上。見圖4。

圖4 復合材料發(fā)射筒結構布置圖Fig.4 Layout of composite material launch tube

2）筒體鋪層。根據(jù)前述鋪層優(yōu)化，選擇筒體復材鋪層共15層，鋪層方式同前。

3）材料性能。T700/環(huán)氧復材性能見表4，金屬材料性能見表5。

表5 金屬材料性能Tab.5 Properties of metallic materials

2.2.2.2 有限元模型

1）載荷情況。筒體所受的載荷分別為前法蘭受到的沖擊、筒內(nèi)部壓力、吊裝以及運輸工況下的軸向、橫向以及法向過載；彈體對發(fā)射筒施加的載荷（包括重力）是通過3 支撐點位置實現(xiàn)的，分別為F1、F2、F3，示意圖見圖5。

圖5 筒體載荷示意圖Fig.5 Schematic diagram of the launch tube load

2）邊界條件。按照圖6中的坐標1、2、3方向施加邊界條件。沖擊工況時，約束后法蘭面的2、3 方向自由度；其余所有計算工況涉及的約束均為約束筒體前、后起吊箍的所有自由度。

圖6 邊界條件坐標系Fig.6 Coordinate system of boundary condition

3）有限元模型。發(fā)射筒的有限元模型包含以下部分：內(nèi)襯、復材筒體、金屬法蘭、復材環(huán)筋。采用ABAQUS 軟件［12］，內(nèi)襯、復材筒體、復材環(huán)筋采用4節(jié)點板殼單元建模，法蘭用8 節(jié)點六面體單元建模。筒體模型共包含5 400 個節(jié)點和5 360 個單元，見圖7。

圖7 發(fā)射筒有限元模型Fig.7 Finite element model of launch tube

2.2.3計算結果

本文重點關注各種工況下筒體復材結構層的安全裕度。失效評定準則為：采用Tsai-Wu 失效判據(jù)計算出復材結構層各層失效因子，各單元安全裕度＝1/（失效因子-1）；安全裕度不小于0.25。不同工況下的ABAQUS軟件計算結果如下。

2.2.3.1 沖擊載荷工況

筒口施加沖擊載荷后，ABAQUS 軟件計算結果如圖8所示。

圖8 沖擊載荷工況下的筒體復材結構層平均失效因子云圖Fig.8 Average failure factor of the composite layer under impact condition

沖擊載荷工況下，筒體復材結構層平均失效因子最大值0.099，安全裕度9.1。

2.2.3.2 內(nèi)壓載荷工況

筒體內(nèi)壓1.5 MPa，ABAQUS 軟件計算結果如圖9所示。

圖9 內(nèi)壓載荷工況下的筒體復材結構層平均失效因子云圖Fig.9 Average failure factor of the composite layer under internal pressure condition

內(nèi)壓載荷工況下，筒體復材結構層平均失效因子最大值0.318，安全裕度2.1。

2.2.3.3 水平運輸工況（針對軸向3.5g、橫向2g、法向3g進行計算，其他略）

1）載荷情況：軸向過載3.5g。ABAQUS 軟件計算結果如圖10所示。

圖10 水平運輸軸向過載3.5g工況下的筒體復材結構層平均失效因子云圖Fig.10 Average failure factor of the composite layer under 3.5g transport axial overload condition

軸向過載3.5g工況下，筒體復材結構層平均失效因子最大值0.234，安全裕度3.3。

2）載荷情況：橫向過載2g。ABAQUS 軟件計算結果如圖11所示。

圖11 水平運輸橫向過載2g工況下的筒體復材結構層平均失效因子云圖Fig.11 Average failure factor of the composite layer under 2g transport lateral overload condition

橫向過載2g工況下，筒體復材結構層平均失效因子最大值0.421，安全裕度1.4。

3）載荷情況：法向過載3g。ABAQUS 軟件計算結果如圖12所示。

圖12 水平運輸法向過載3g工況下的筒體復材結構層平均失效因子云圖Fig.12 Average failure factor of the composite layer under 3g transport normal overload condition

法向過載3g工況下，筒體復材結構層平均失效因子最大值0.559，安全裕度0.8。

2.3.3.4 吊裝工況

吊裝過載2.4g工況下，ABAQUS 軟件計算結果如圖13所示。

圖13 吊裝工況下的筒體復材結構層平均失效因子云圖Fig.13 Average failure factor of the composite layer under hoisting condition

吊裝工況下，筒體復材結構層平均失效因子最大值0.512，安全裕度為1。

2.2.4計算結果分析

經(jīng)計算，發(fā)射筒筒體復材結構層在沖擊載荷、內(nèi)壓、運輸載荷和吊裝載荷4 種工況下的最大平均失效因子及安全裕度如表6所示。

表6 各種工況下筒體復材結構層最大平均失效因子及安全裕度Tab.6 Maximum average failure factor of the composite layer under various working conditions

由表6 可知，各種工況下發(fā)射筒筒體復材結構層的安全裕度均大于0.25，表明碳復合材料發(fā)射筒在各個工況下均能正常使用，可以滿足設計要求。

3 產(chǎn)品及試驗情況

3.1 產(chǎn)品情況

發(fā)射筒復合材料筒體設計質量466 kg，各部件質量分布如表7所示。

表7 復合材料筒體各部件質量Tab.7 Mass of components of composite launch tube

實物產(chǎn)品質量510 kg，與理論設計質量存在44 kg的偏差。經(jīng)分析，該偏差是由金屬內(nèi)襯厚度精度、環(huán)筋與復材結構層過渡尺寸以及法蘭與復材結構層過渡尺寸引起的。因此，評估最終產(chǎn)品質量時應充分考慮工藝制造環(huán)節(jié)帶來的必要偏差。

3.2 氣密及水壓試驗

利用發(fā)射筒上的2 個水平起吊箍進行固定，對發(fā)射筒進行氣密試驗和水壓試驗，氣密試驗滿足24 h 壓降不低于10%的要求；對發(fā)射筒進行壓力1.5 MPa、保壓5 min 的水壓試驗，發(fā)射筒各部件未見異常和損傷，滿足設計要求。氣密及水壓試驗情況見圖14。

圖14 氣密及水壓試驗Fig.14 Air test and water pressure test

3.3 吊裝、運輸試驗

對發(fā)射筒進行了滿載情況下的吊裝、運輸試驗，試驗后檢查發(fā)射筒未見損傷，見圖15～16。

圖15 吊裝試驗Fig.15 Hoisting test

圖16 運輸試驗Fig.16 Transportation test

3.4 發(fā)射試驗

對發(fā)射筒進行了發(fā)射試驗，試驗后發(fā)射筒鋼內(nèi)襯經(jīng)過除灰處理后，表面呈微黃，未見明顯燒蝕痕跡，可以滿足燃氣多次沖刷的使用要求；發(fā)射筒內(nèi)腔及外形結構未見變形，金屬法蘭和復材結構層未見分層破壞。

4 結束語

本文以碳纖維復合材料發(fā)射筒為研究對象，采用碳纖維增強復合材料及鋼內(nèi)襯制造筒體的主要結構件，配合結構優(yōu)化和功能性鋪層設計，賦予了發(fā)射筒筒體良好的輕質、高強特性。對研制的發(fā)射筒進行了氣密、水壓、吊裝、運輸和發(fā)射等試驗，試驗結果表明各項性能滿足設計要求。