蜂窝夹层复合材料弹翼.doc

10.6.1 导弹复合材料结构的选择原则 1）承载较大、要求结构刚度好的大型主受力件宜用高强度或高模量碳纤维/树脂复合材料桁条结构型式。桁条和蒙皮可采用全胶接连接方式，如果采用胶螺或胶铆连接方式可获得更高的可靠性； 2）承载较小的中型受力件，可采用碳纤维/树脂或混杂纤维/树脂复合材料面板、蜂窝夹芯结构。蜂窝有铝蜂窝、玻璃钢蜂窝和Nomex蜂窝。三种蜂窝都适用于全胶接的结构型式。虽然碳纤维和铝蜂窝之间存在介电腐蚀问题，但两者间可用胶膜隔离，而且铝蜂窝成形前可进行表面处理，这样可使它们不直接接触，即可解决介电腐蚀问题； 3）刚度要求不大的小型结构件可采用玻璃钢面板、泡沫夹芯结构。 4）结构要求高抗冲击性能和断裂韧性时可采用玻璃钢纤维或凯芙拉纤维。若同时还要求高的比强度、比模量时，可采用碳纤维中加少量玻璃钢纤维或凯芙拉纤维的混合纤维； 5）雷达罩结构要求有良好的透波性，可选用玻璃钢纤维或凯芙拉纤维/环氧树脂复合材料，也可用玻璃纤维/树脂复合材料面板、蜂窝夹心或泡沫夹心结构，而不能使用碳纤维。10.6.2 复合材料弹/箭身结构 应用较多的有三种结构：复合材料蒙皮桁条加筋壳、复合材料面板夹层结构壳体和复合材料网格加筋整体结构壳体。其中前两种结构在工程中已得到应用，复合材料网格加筋整体结构壳体正处于研制与发展阶段，由于这种结构属于整体结构，强度刚度好，质量轻，空间利用率高，加工和设计的整体化程度最高，所以是一种很有应用前景的结构型式。（1）蒙皮桁条加筋壳 在这种壳体中，蒙皮厚度应保证在使用载荷作用下不发生局部失稳，桁条的铺层：一般在外表面全包或半包450铺层，在中间铺00层，这样可大大提高其轴向刚度和强度。桁条与对接框连接处，可采用两种连接方式：当桁条剖面不大，或者承载能力不大时，可采用桁条端面与对接框内表面直接接触的连接形式；当桁条面积较大，或者承载能力较大时，可采用桁条端面处增加肘板，并使肘板的外表面与框内表面相连。（2）复合材料面板夹层壳 在此种结构中，复合材料蜂窝夹层结构应用较多。例如运城火箭“阿里安”1的头部整流罩倒锥高1700mm、半锥角100，是非金属蜂窝夹层结构，上下面板厚1mm，用凯夫拉纤维制成，夹芯是玻璃钢纤维环氧树脂蜂窝，蜂格边长4mm、夹层总厚40mm。此段结构可以透过无线电波以适应内部设备工作的需要。又如某型号火箭的头部有效载荷整流罩是半锥角分别为250、150的双锥段的玻璃钢蜂窝夹层结构，上下面板厚0.8mm，用平纹玻璃布和低压钡酚醛树脂制成，夹芯壁厚0.2mm，用高硼无碱布和低压钡酚醛树脂制成，蜂格边长5mm，夹层总厚20mm，实际透波率在78%98%之间。10.6.3复合材料翼面结构（1）单块式结构 该结构形式是由蒙皮、筋条、肋和梁共同构成的受力盒段。一般蒙皮较厚，筋条（相当于长桁）较强，多肋。其中蒙皮主要受面内载荷，铺层情况由面内载荷决定，一般采用/4层合板。弯矩引起的轴向载荷由筋条、梁缘条和蒙皮组成的壁板承受，因此筋条与缘条以00铺层为主。梁腹板可由所受剪力确定450铺层数，再由泊松比或屈曲等其他要求确定900、00铺层数。各元件之间有用二次固化或机械连接，也有采用共固化工艺将不同的元件直接做成整体结构。（2）多墙（多梁）式结构 因多墙（多梁）式结构形式能提供上、下蒙皮间较大的形心间距和较大的弯曲、扭转刚度而得到广泛应用。这种结构型式蒙皮较厚，有多个墙（或梁）。复合材料多梁式结构的优点是，可将其设计成一侧蒙皮（通常是下翼面蒙皮）与全高度复合材料梁（或墙）共固化成整体件，再把上蒙皮用高锁紧螺栓将它们装配在一起。对小型翼面，在采用夹层蒙皮时，可以采用只布置梁肋的梁式结构，没有长桁或筋条。（3）全高度夹层结构 对于某些薄翼型或楔形结构，可以采用全高度复合材料夹层结构，这样能大大减小层合板的连接孔和紧固件数量。特别是对某些受载较小的结构件，如果采用轻质纸蜂窝夹芯，既能够保证结构具有很好的刚度特性，又可使结构有更高的减重效益。图10.6.1为分散接头蜂窝夹层弹翼，它的蒙皮是变厚度的，在铆钉区蒙皮厚2.2mm，依次由1.8降到0.7和0.5mm。此结构比铆接翼减重1530%。（4）复合材料厚蒙皮壁板整体结构和实心结构 此类结构通常是在小型翼面或相对厚度较小的翼面上采用。例如碳纤维/树脂复合材料作外层，玻璃钢作内部芯子的混合实心结构（图10.6.2）。上述各种导弹翼面结构中，蒙皮、梁（或墙）、肋等复合材料结构元件可以用实心层合结构，也可采用各种夹层结构，其材料可用预浸单向带，也可以用布，应视具体结构而定。1 翼根 2 固体泡沫 3 蜂窝结构 4 蒙皮 5 翼刀图10.6.1 分散接头式蜂窝夹层弹翼图10.6.2 混合复合材料实心板10.6.4 复合材料夹层结构翼面设计 夹层结构由面板和芯材组成。按不同芯材可分为蜂窝夹层结构、泡沫塑料夹层结构及其他夹层结构。蜂窝夹层结构主要用于组合式整体翼面的壁板和全高度蜂窝夹层翼面，如图10.6.3。战术导弹翼型较薄，多为全高度蜂窝夹层翼面。（1）蜂窝夹层结构 蜂窝夹层结构，面板由蜂窝夹芯支持，除质量小，强度和刚度大外，还可大大的提高面板临界应力。因此，有可能采用轻合金且较薄的面板。（a）蜂窝夹层壁板 （b）全高度蜂窝夹层翼面图10.6.3 蜂窝夹层结构? 翼面气动加热温度超过2503000C时，必须采用耐高温的钛合金或不锈钢。但这些材料密度大不宜采用整体结构，若用于薄壁结构其临界应力低，不能充分发挥材料性能。由于蜂窝夹芯能提高面板的临界应力，就有可能应用这些材料。另外，由于局部刚度大、不用铆接，表面品质高。 蜂窝夹层结构工艺复杂，装配质量受多种因素影响，不易控制，检验方法比较复杂。图10.6.4所示为单梁式蜂窝夹层弹翼。图10.6.5是一种蜂窝夹层结构全动翼面，它采用六边形铝质蜂窝夹芯和硬铝制成的翼型骨架5。 夹心与蒙皮1之间通过玻璃纤维纱3用金属胶胶接在一起。为了保证翼面抗弯能力，采用了合金钢制成的翼轴6，并用硬铝制成的加强板8，通过胶接与螺钉连接同翼轴相连。 1) 胶接铝蜂窝夹层结构 这种结构由铝合金面板和夹芯胶接而成的。适用于200C以下工作。夹芯分为侧壁上带孔的和无孔的两种，孔是为了排除胶粘剂固化时挥发的气体和水汽，夹芯侧壁是否开孔，由胶粘剂种类决定夹芯所用的胶粘剂应有较高的节点强度和剥离强度，高的韧性，能经受重复固化温度影响。常用的有204胶（酚醛-缩醛-有机硅），JK-9（酚醛-丁腈）等。 面板和夹芯连接用的胶粘剂，应具有良好的综合性能，并尽量采用胶膜形式。因受夹芯抗压强度限制，固化压力不能过高。 图10.6.4 梁式蜂窝夹层弹翼 1 蒙皮 2 金属胶 3 玻璃纤维纱 4 蜂窝结构 5 翼型骨架 6 螺钉螺母 7 翼轴 8 加强板图10.6.5 蜂窝夹层结构全动翼? 2）焊接蜂窝夹层结构 焊接蜂窝夹层结构的突出优点是工作温度可达到5008000C。通常使用不锈钢或钛合金做夹芯和面板。按工艺方法分为钎焊结构和全焊接结构。 钎焊结构应用较早，用于较复杂的蜂窝夹层结构，其耐热能力取决于钎焊料的高温性能。图10.6.6为钎焊蜂窝夹层结构的实例。它的蜂窝夹芯四周加工出下陷与边缘件配合。边缘件全部为板金件。夹芯为1Cr18Ni9Ti不锈钢箔材，厚度为0.01mm，正六边形格子，边长为5mm。蒙皮及主承力件为2Cr13不锈钢。钎焊料厚度为0.08mm。它的装配过程是：箔条预先成型，密点拼焊成蜂窝块，机械加工型面及下陷，在密封容器中氩气保护钎焊。用电热陶瓷模完成加温钎焊，温度约1040。图10.6.6 钎焊蜂窝夹层舵? 因为钎焊高温的影响，零件材料退火，强度降低，须对主承力件作淬火、回火处理。关于热处理工序影响主承力件的工艺方案，如图10.6.6是多层钎焊，采用钎焊，淬火，回火同步进行的方案，需要主承力件材料淬火温度与钎焊温度相适应。若主承力件单独热处理后与蜂窝夹层部分连接，则会增加连接件数量及质量。 楔形的蜂窝夹层部件，高度变化，可用不同厚度的钎焊料，保证蜂窝壁、蜂窝夹芯与面板的焊接品质。图10.6.7的钎料填满蜂窝壁间，并形成良好的圆根。 前后缘结构形式除图10.6.6中D-D剖面形式外，还有图10.6.8三种。其中，（b）可能出现面板与夹芯不贴合，导致连接强度降低。（c）工艺性好，但增加了连接件。 全焊接蜂窝夹层结构比钎焊蜂窝夹层结构有较高的比强度，耐更高的温度。一种是点焊连接，称“应力蒙皮”蜂窝夹层结构。将夹芯箔材预先压制成带弯边的波纹带条后，用微点焊连接，再用微点焊将上、下面板连接在弯边上，成为全点焊结构，如图10.6.9。图10.6.7 钎焊示意(a) 蒙皮边缘焊接 （b）整体蒙皮弯曲成型 （c）双面埋头铆钉连接图10.6.8 前、后缘形式图10.6.9 全点焊蜂窝夹层结构4）非金属蜂窝夹层结构? 这种结构多用于小型翼面上，或用于需穿透电磁波的结构。常用的材料为玻璃钢。即面板和夹芯均用浸胶的玻璃布制成。工艺性好，成本低，有较高的强度。蜂窝格子多用边长为45mm的正六边形，以0.1mm无碱玻璃布制成。面板可设计成变厚度，常用0.20.29mm厚的平纹或斜纹无碱玻璃布铺层，如图10.6.10。面板铺层应有利于接头集中力的扩散、传递。胶粘剂要配套，蜂窝夹芯节点胶、浸渍胶，面板的浸渍胶，面板和蜂窝夹芯连接胶，应相互适应。 5）蜂窝夹层结构参数的确定 全高度蜂窝夹层结构翼面固定在弹身上，呈板梁状态。因蜂窝夹芯展向刚度很小，弯矩产生的正应力由上、下面板承受，图10.6.11为翼面单元体受力情况。剪力由蜂窝夹芯和面板承受。因面板较薄，而在剪力方向蜂窝夹芯刚度较大，可认为剪力，全部由蜂窝夹芯承受。它通过蜂窝夹芯传到根部（或梁上），如图10.6.12。夹芯抗扭刚度小，故认为全部扭矩由面板组成的闭室承受。 下面介绍蜂窝夹层结构主要参数的工程估算方法7图10.6.10 非金属蜂窝夹层结构图10.6.11 单元体受力图10.6.12 剪力的传递? 由弯矩确定面板的厚度 ，有: （10.6-1） 式中 蜂窝夹层结构高度（m）； 蜂窝夹层结构面板宽度（m） 面板厚度（m）。 按强度条件，当: (10.6-2)式中 临界应力（Pa） 正六边形蜂窝格内的面板，在蜂窝夹芯支持下，承受正应力后，以不失稳为条件，用经验公式确定正六边形的边长。若正六边形的内切圆直径 为（图10.6.13）。则: (10.6-3) 式中 面板材料的屈服强度（Pa）； 面板材料的泊松比； 常数，一般取2； 面板材料的塑性系数； 面板材料的弹性模量（Pa）。图10.6.13 内切圆示意图? 若s为正六边形的边长，则 （10.6-4） 由剪力确定蜂窝夹芯壁厚。剪应力为: （10.6-5） 式中 蜂窝夹芯壁厚； 蜂窝夹芯高度。 按强度条件: 可确定 。 是夹芯壁的剪切临界应力，可把蜂窝格子壁作为四边铰支矩形板，长（即高）、宽各为h1及b（图10.6.14）。图10.6.14 蜂窝壁长宽示意图? 则临界应力为: （10.6-6）式中 支持系数 用经验公式计算 ： （10.6-7） 当 较大时，取 ，一般先设厚度 ，逐次计算。 全高度蜂窝夹层结构承受弯矩后，只会局部失稳。局部失稳如图10.6.15。临界应力为:图10.6.15 蜂窝夹层局部失稳? ? （10.6-8）式中 蜂窝夹芯在图10.6.19中的 T方向的弹性模量（Pa）； 近似计算 ： （10.6-9） 式中 蜂窝夹芯带材的弹性模量（Pa）；图10.6.16 正六边形夹芯? 当 超过面板材料的比例极限时，用下式修正： （10.6-10）式中 在生产和使用中，由于各种原因，面板的蜂窝夹芯之间可能产生局部脱胶。一般认为，凸形脱胶以圆形最严重。设计时，要给出允许的脱胶范围。若脱胶范围直径为D，脱胶处的内外压力差为 P。则脱胶区总载荷为： （10.6-11）式中 气动力（吸力）（Pa）； 蜂窝夹层结构内部和飞行时当地大气压力差，（Pa）； 气动加热后，蜂窝夹芯格内空气膨胀引起的附加压力（Pa）。 所以，由P引起的剥离载荷为： （10.6-12）式中 ； 强度安全系数，一般取1.5； 温度安全系数； 胶层老化寿命安全系数。 根据胶粘剂的剥离强度 ，当： 则取： 可计算面板和蜂窝夹芯间最大的允许脱胶范围的直径： （10.6-13）（2）泡沫塑料夹层结构 图10.6.17所示为泡沫夹层弹翼，它采用单梁式结构和厚蒙皮来保证承载能力，梁的部面为工字形，前后腹板和肋均为“”形钣金件。为了保让翼根的传力和强度、刚度要求，在翼根采用了厚板加强的多螺钉分散接头。 图10.6.17 泡沫夹层弹翼 一般说来，泡沫夹层结构多用于承载不大的小型翼面，如图10.6.18所示。 图10.6.18 泡沫塑料夹芯舵面? 该结构有两种制造