推臂用碳纤维复合材料性能分析与工艺研究*

张云露，张士卫，蔺绍玲

(中国空空导弹研究院，河南 洛阳 471009)

空空导弹是现代战争中争夺制空权的首要武器。机载弹射发射装置作为该武器系统的重要组成部分[1]，主要用于悬挂、运载和发射各型空空导弹。它不仅影响载机的机动性能和导弹装载数量，还在一定程度上影响载机的可持续战斗时间[2]。机载弹射发射装置轻量化设计是现阶段机载武器系统的重点研究方向之一[3]。

碳纤维复合材料由于具有比强度高、比刚度高、整体成型性和可设计性好的特点，被称为复合材料中的“黑色黄金”[4-5]，广泛应用于航空领域。在军用飞机方面，国外先进战斗机的碳纤维复合材料使用量已达到25%～30%，如F-22“猛禽”战斗机的碳纤维复合材料占22%，F-35 “闪电Ⅱ”联合攻击战斗机的碳纤维复合材料为36%，B-2“黑鸟”隐形轰炸机的碳纤维复合材料甚至接近了50%[6-7]。在民用飞机方面，国外大型客机上的碳纤维复合材料甚至超过50%，如空客A350XWB宽体客机机身碳纤维达到52%；此外，该飞机的机翼蒙皮、桁条、前后翼梁等主要零部件均为碳纤维复合材料。国内航空复合材料经过了近30余年的发展，走过了一条由非承力构件到次承力构件，再到主承力构件应用的道路[8-9]，但碳纤维复合材料在弹射发射装置上的应用起步较晚，轻量化设计已成为发射装置设计的瓶颈[10-11]；因此，探索碳纤维复合材料在复杂外形、承受复杂载荷推臂上的应用可行性，对于指导机载弹射发射装置轻量化设计、推动碳纤维复合材料在弹射发射装置上的工程化应用具有重要意义。

1 试验材料与方法

1.1 碳纤维复合材料性能

碳纤维复合材料选用日本东丽T700碳纤维作为纤维增强材料，碳纤维复合材料体系性能数据见表1。基体材料为中温固化环氧树脂，其基本性能见表2。采用树脂传递模塑(RTM)成型工艺，制成了碳纤维复合材料标准样件，其力学性能见表3。

表1 碳纤维复合材料体系力学性能

表2 树脂基体基本性能

表3 碳纤维复合材料力学性能

1.2 推臂结构设计

推臂作为机载弹射发射装置的典型构件实现机构的打开及回收，其是弹射机构的重要组成部分。推臂结构示意图如图1所示，其中，孔A受水平力，孔C受向上垂直力，孔B由6个自由度约束。

图1 推臂结构示意图

推臂在工作角度下承受的强度校核见表4。

表4 推臂强度校核

应用 ABAQUS有限元软件对产品结构设计合理性进行验证，预测结构失效薄弱环节。推臂的侧壁主承力区采用六面体单元，两端端头和中间实体部分采用四面体单元(见图2)。

图2 推臂有限元网格化分

1.3 碳纤维复合材料RTM成型

推臂碳纤维复合材料选用0°、45°、-45°和90°等4种铺层角度，铺层顺序为：0/45/-45/O3/45/0/45/0/90/0/45/O2/-45/O2/90/O3/45/O2/45/O3/-45/O2/45/90/O245/O2/-45/O2/45/O2，铺层比例见表5，成型工艺过程如图3所示。

表5 碳纤维铺层比例

图3 推臂RTM成型工艺过程

1.4 推臂静载试验及工艺改善

推臂静载试验及工艺改善实施步骤如下：首先，通过试验夹具，将支撑臂与推臂进行组合装配，获得试验件1(见图4)；然后，根据有限元分析对结构失效部位的预测结果，在薄弱部位粘贴应变片，并按表6所示力值以2 mm/min速度进行加载，获得应变测量结果，试验过程如图5所示；最后，针对静载试验失效部位的失效模式，结合RTM制作工艺及结构开展失效分析，逐步完善推臂RTM成型工艺，并开展极限破坏试验，以验证改进后的碳纤维复合材料在推臂上推广应用的可行性。

图4 推臂静载试验件1

表6 试验件1加载力值与应变要求

图5 静载试验

2 结果与讨论

2.1 有限元分析结果

结合推臂工作载荷情况，通过有限元分析，获得了推臂在工作角度30°下的应变分布情况(见图6)，其中，最大拉应变、最大压应变结果见表7。

图6 推臂工作角度下的应变分布

表7 推臂最大应变有限元数值

根据强度校核计算结果可知，各推臂结构在载荷条件下均满足强度设计指标要求。推臂失效薄弱部分均分布在工字梁T型过渡处，可用于指导后续静载试验应变片粘贴位置选择，以实现对重点部位的应变监控。

2.2 推臂静载试验

2.2.1 静载试验一

根据有限元分析对推臂结构失效薄弱部位的预测，在推臂工字梁T型接头过渡处粘贴应变片(见图7)，对应的应变、位移测量结果见表8。当载荷加至14 kN时，试验件1在大头三角区发生了分层破坏(见图8)。

图7 推臂应变片粘贴位置

表8 试验件1加载力值与应变、位移测量结果

图8 推臂三角区分层破坏

从试验结果可知，工艺缺陷可能使非最大受力区域由于应变过大产生分层破坏继而失效，复合材料的理论强度校核只能作为参考，容易产生工艺缺陷的部位还需重点关注。

2.2.2 静载试验二

通过对分层部位进行材料失效分析，改善铺层工艺，重新制得试验件2。在试验件2工字梁T型接头过渡处和三角区域粘贴应变片，对应的应变、位移测量结果见表9。加载到28～29 kN时发生开裂破坏，破坏部位如图9所示。

表9 试验件2加载力值与应变、位移测量结果

图9 试验件2静载试验破坏部位

试验结果表明，推臂产品发生裂纹处与理论计算的高应变区基本一致，铺层改进的工艺缺陷区未发现异常，说明工艺缺陷区的铺层改进方案提升了材料性能，满足使用要求。

2.2.3 静载试验三

通过对分层部位进行材料失效分析，改善铺层工艺并制得试验件3。本次试验针对试验件2新的破坏点，进行重点监测，增加应变监测(应变片2)对推臂进行静载试验，结果如图10所示。试验原理和方法参照静载试验二，加载至32 kN(1.6F)时推臂未出现任何破坏现象。

图10 推臂应变片粘贴位置

试验结果表明，在工字梁区域调整填充量可有效避免工艺缺陷产生。进行工艺改进后，制造的推臂达到了安全使用要求，使产品合格率得到大幅提升。

2.3 材料失效分析与RTM工艺改善

2.3.1 推臂端部三角区分层失效分析及工艺改善

在设计方面，端部三角区铺层设计不合理，部分纤维不连续，由于三角区大部分存在于有效传载路径上，因而容易发生失效。在工艺操作方面，存在织物未熨平等工艺缺陷，导致局部有快速流道，部分平直纤维被顶弯，降低了部件的力学性能。

通过调整三角区纤维铺层，使纤维铺放路径平直，有利于将工艺三角区从有效载荷传递路径上移开，以降低产品强度对工艺缺陷的敏感度；同时，降低了产品的应变，提高了产品的可靠性。三角区工艺改进前后如图11所示。

图11 三角区工艺改进前后示意图

2.3.2 推臂工字梁失效分析及工艺改善

工字梁部位的过渡区是零件静载和疲劳破坏的薄弱点，铺层时应重点关注过渡区填充，对填充量严格控制，避免因填充过多造成纤维褶皱或填充不足，从而形成快速流道和孔隙缺陷；同时，应确保工字梁中间有部分纤维连续到侧梁部分，以有效传递载荷。工艺改进前后的过渡区铺层示意图如图12所示。进行工艺改进后，制造的推臂达到了安全使用要求。

图12 工字梁过渡部位工艺改进前后示意图

2.4 推臂极限破坏试验

按照改进工艺制作推臂试验件，在工作角度下进行极限破坏试验。推臂在压应变最大区域发生材料破坏，破坏时的最小载荷为1.9倍工作载荷，满足了弹射装置安全裕设计要求。

3 结语

通过上述研究，得出结论如下。

1)根据数值模拟计算，碳纤维复合材料制成的推臂结构在载荷条件下均满足强度设计指标要求，工字梁T型过渡部位是静载试验失效破坏的薄弱环节。

2)针对推臂进行的3次静载试验，除工字梁T型过渡部位，工艺缺陷区域在未达到材料拉伸强度时就提前发生分层破坏继而失效。

3)通过调整端部三角区纤维铺层，让纤维铺放路径尽量平直，可以分散端部结构受力，降低产品强度对工艺缺陷的敏感度；工字梁部位的过渡区是零件静载和疲劳破坏的薄弱点，铺层时重点关注过渡区填充，对填充量严格控制，避免因填充过多造成纤维褶皱或填充不足，从而形成快速流道和孔隙缺陷，同时确保碳纤维连续性。

4)改进工艺后的碳纤维复合材料满足推臂结构设计要求，与铝合金相比，可实现减重1/3，研究内容可为该材料在机载弹射发射装置上的推广应用提供理论指导和依据。

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