某碳纖維復(fù)材推臂性能優(yōu)化試驗(yàn)研究

蘇斌山，張士衛(wèi)，藺紹玲，謝軍虎，張?jiān)坡?/p>

(中國空空導(dǎo)彈研究院，河南洛陽 471009)

0 引言

近年來，以高性能增強(qiáng)纖維，特別是以碳纖維為增強(qiáng)體的樹脂基復(fù)合材料在世界上得到了快速發(fā)展[1-3]。先進(jìn)復(fù)合材料有3大特點(diǎn)：1)各向異性和材料的可設(shè)計(jì)性；2)整體成型；3)比強(qiáng)度，比模量高使得它對國防建設(shè)和國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展有極為重要的應(yīng)用。就飛機(jī)設(shè)計(jì)而言，減重是其永恒的主體，而碳纖維復(fù)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(dá)到的。國際先進(jìn)軍民機(jī)中，復(fù)合材料用量持續(xù)增長，主要應(yīng)用復(fù)合材料的部位包括整流罩、平尾、垂尾、平尾翼盒、機(jī)翼、中前機(jī)身等[4-5]，飛機(jī)復(fù)合材料重量占比已成為衡量軍用裝備先進(jìn)性的重要標(biāo)志。

1 研究背景

某機(jī)載裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，主體結(jié)構(gòu)普遍采用高強(qiáng)度航空鋁合金進(jìn)行加工，基于輕量化和安全性的指標(biāo)要求，單純采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法進(jìn)行減重難度很大，相關(guān)領(lǐng)域的專家在材料應(yīng)用方面做了一定的探索性研究[5]。經(jīng)論證，該機(jī)載裝置某構(gòu)件推臂擬采用碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行設(shè)計(jì)，文中研究基于前期的工作，做了進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，并進(jìn)行了對比分析和試驗(yàn)驗(yàn)證工作。

推臂復(fù)合材料采用的纖維增強(qiáng)材料為日本東麗T700碳纖維單向帶預(yù)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(guān)人員做了大量的基礎(chǔ)研究和試驗(yàn)驗(yàn)證工作，姚佳偉、康欣然等[6-7]對超薄T700/環(huán)氧樹脂預(yù)浸料力學(xué)性能進(jìn)行了研究；張?jiān)坡禰8]對聚酯纖維插層對碳纖維板性能進(jìn)行了探索研究；劉剛等[9]對復(fù)合材料厚壁連桿RTM成型工藝模擬及制造驗(yàn)證進(jìn)行了研究；藺紹玲、張?jiān)坡兜萚10-11]制作了T700/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行拉伸、壓縮、彎曲、層間剪切試樣，對T700層合板力學(xué)性能進(jìn)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(fù)合材料推臂工藝、試驗(yàn)和性能進(jìn)行了研究。

在前期的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，該裝置推臂零件結(jié)構(gòu)形式如圖1所示，為多腹梁梯狀結(jié)構(gòu)。經(jīng)過詳細(xì)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(jìn)行了優(yōu)化。

圖1 優(yōu)化前復(fù)材推臂

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

圖2 優(yōu)化前推臂理論工況

試驗(yàn)結(jié)論：推臂在1.5倍單向載荷下仍能保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。同時(shí)進(jìn)行了80次整機(jī)作動(dòng)試驗(yàn)后推臂未出現(xiàn)結(jié)構(gòu)破壞，其強(qiáng)度和剛度均滿足初始設(shè)計(jì)要求。

由于前期對推臂工況分析不夠透徹，導(dǎo)致在復(fù)合加載試驗(yàn)時(shí)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(fù)合加載試驗(yàn)時(shí)推臂層間開裂

2 工況分析與工藝優(yōu)化

詳細(xì)的分析了裝置實(shí)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(jì)算，推臂與水平線夾角θ=30°時(shí)載荷最嚴(yán)酷，此時(shí)，受載情況為：

計(jì)算此種受載情況下新構(gòu)件的強(qiáng)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(fù)雜工藝，在強(qiáng)度計(jì)算時(shí)傳統(tǒng)的經(jīng)典層合板理論[12-17]計(jì)算難度巨大，由于零件結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和工藝的復(fù)雜性，借助于有限元仿真估算其強(qiáng)度和應(yīng)變難度也很大，目前通過試驗(yàn)的手段來估算其強(qiáng)度。

經(jīng)過進(jìn)一步論證，對推臂結(jié)構(gòu)工藝和工況進(jìn)行了重新分析計(jì)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(shí)，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(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，在保留原始接口尺寸的情況下，對推臂的原始結(jié)構(gòu)采用盒型梁結(jié)構(gòu)，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(jìn)行連接。通過改進(jìn)鋪層方式和鋪層角度來增加推臂的強(qiáng)度及剛度，并在中間部位進(jìn)行泡沫填充，整個(gè)推臂采用層合板泡沫夾芯包纏工藝進(jìn)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(gòu)件選材如表1所示。

表1 構(gòu)件選材表

材料規(guī)格參數(shù)如表2所示。單層預(yù)浸料復(fù)合材料體分約為58%，RTM復(fù)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(jié)構(gòu)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(yàn)驗(yàn)證

3.1 靜力強(qiáng)度試驗(yàn)

為了驗(yàn)證推臂性能，試驗(yàn)采用專門研制的復(fù)合材料構(gòu)件多點(diǎn)靜力加載設(shè)備進(jìn)行加載，加載系統(tǒng)主要通過液壓系統(tǒng)所提供的載荷進(jìn)行加載和位移的數(shù)據(jù)采集。試驗(yàn)設(shè)備及器材詳見表3，試驗(yàn)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(xué)的重要分支。在功能語言學(xué)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(yīng)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(dòng)物學(xué)科英語翻譯的應(yīng)用。

表3 試驗(yàn)設(shè)備及器材表

表4 試驗(yàn)件加載力值表

在試驗(yàn)之初，由于高應(yīng)變區(qū)不能準(zhǔn)確確定，需進(jìn)行仿真分析，模型結(jié)構(gòu)和工藝復(fù)雜，該復(fù)材構(gòu)件建模難度較大，為了快速確定高應(yīng)變區(qū)，采用相同結(jié)構(gòu)的各向同性鎂合金制件進(jìn)行仿真參考，仿真采用ABAQUS軟件進(jìn)行仿真，根據(jù)實(shí)際工況和試驗(yàn)臺模擬加載方式設(shè)定邊界條件，參考點(diǎn)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(diǎn)RP3和上端剛體參考點(diǎn)RP1的6個(gè)自由度，在上端剛體參考點(diǎn)RP6處施加z向載荷，在下端剛體參考點(diǎn)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(cè)向力的加載，其仿真后的應(yīng)變云圖如圖7所示。

圖7 推臂應(yīng)變云圖

根據(jù)圖7的仿真結(jié)果，確定高應(yīng)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(yīng)變片的黏貼布置方案如圖8所示。

圖8 推臂應(yīng)變片粘貼位置示意圖

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

將構(gòu)件安裝在試驗(yàn)臺上，在檢查無誤后按照編寫的試驗(yàn)大綱要求進(jìn)行加載，試驗(yàn)加載過程如圖9所示。

圖9 推臂靜力強(qiáng)度試驗(yàn)

在試驗(yàn)過程中，按照試驗(yàn)要求，共進(jìn)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(jìn)行數(shù)據(jù)分析，取其最大應(yīng)變點(diǎn)C3和D6兩點(diǎn)處歷次加載的應(yīng)變值進(jìn)行分析對比，應(yīng)變與加載力值之間的關(guān)系如圖10所示。

圖10 優(yōu)化后復(fù)材推臂6次加載時(shí)C3，D6點(diǎn)加載率-應(yīng)變圖

在試驗(yàn)過程中，當(dāng)加載到100%時(shí)，推臂未出現(xiàn)任何異響，重復(fù)加載2次，在第3次加載時(shí)，按試驗(yàn)流程加載到150%力值，最大應(yīng)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(shí)無條件進(jìn)行無損檢測，無法確定推臂內(nèi)部是否發(fā)生破壞，需進(jìn)一步進(jìn)行檢測驗(yàn)證。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)和圖像表明，優(yōu)化后復(fù)材推臂最大應(yīng)變發(fā)生在C3，D6位置，加載到標(biāo)準(zhǔn)力值的1.5倍時(shí)，最大應(yīng)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(fù)合加載試驗(yàn)

為了驗(yàn)證推臂側(cè)向承載強(qiáng)度，進(jìn)行復(fù)合加載試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)模擬角速度分別為±124.97°/s(作動(dòng)7次)、±140°/s(作動(dòng)1次)、±160°/s(作動(dòng)1次)、±180°/s(作動(dòng)1次)進(jìn)行試驗(yàn)。

在該裝置試驗(yàn)件上安裝推臂，經(jīng)綜合考慮，在安裝前選擇靜載應(yīng)變較大的位置和方便監(jiān)測的位置黏貼應(yīng)變片，監(jiān)測點(diǎn)編號沿用靜強(qiáng)試驗(yàn)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(gè)單向片，在45°角位置點(diǎn)D7和水平位置點(diǎn)D4黏貼2個(gè)單向片,共計(jì)需黏貼6個(gè)單向應(yīng)變片，粘貼位置如圖11所示。

圖11 推臂復(fù)合加載試驗(yàn)應(yīng)變片粘貼位置示意圖

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

圖12 推臂復(fù)合加載試驗(yàn)數(shù)據(jù)

經(jīng)分析6個(gè)測試點(diǎn)在復(fù)合加載角速度下的數(shù)據(jù)，第6次作動(dòng)時(shí)各個(gè)點(diǎn)應(yīng)變數(shù)據(jù)普遍偏高，通過前后數(shù)據(jù)對比，認(rèn)為該誤差屬系統(tǒng)誤差所致，給予忽略。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，各個(gè)點(diǎn)的應(yīng)變整體趨勢成線性變化，認(rèn)為推臂在加載條件下仍處于線彈階段。

4 結(jié)論

分別通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化和工藝方案優(yōu)化，對推臂進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改進(jìn)，并通過靜力強(qiáng)度試驗(yàn)和復(fù)合加載試驗(yàn)驗(yàn)證了在質(zhì)量相當(dāng)?shù)那闆r下，優(yōu)化后的復(fù)材推臂強(qiáng)度性能明顯優(yōu)于優(yōu)化前的推臂，并且有很大的強(qiáng)度裕度。

探索了高性能碳纖維復(fù)合材料在機(jī)載裝置承力件上的應(yīng)用研究，更進(jìn)一步為機(jī)載裝置復(fù)合材料應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。