PPS復合材料在空空導彈導引部件承力結構件上的應用研究

陳世鋒　湯曉云　姚達斌　曹旭東

摘要：? ? ? 本文以空空導彈導引部件中的承力結構件放置艙骨架作為研究對象， 改進放置艙骨架的結構設計， 研究PPS復合材料注塑成型工藝， 成型制造PPS-GF40材料的放置艙骨架， 并在空空導彈導引部件的力學環境試驗條件下進行試驗驗證。 試驗結果表明， 在模擬真實負載裝配的情況下， PPS-GF40放置艙骨架在力學試驗完成后未發生影響功能的損傷與破壞。 該結果為導引部件的輕量化設計提供新的方向， 為PPS復合材料在空空導彈上的應用提供工程依據。

關鍵詞：? ? ?空空導彈; 導引部件; 輕量化; PPS; 復合材料

中圖分類號：? ? ? TJ760.4文獻標識碼：? ? A文章編號：? ? ?1673-5048（2020）02-0097-06

0引言

空空導彈的發射平臺和攻擊目標都在高速運動。 其所攻擊的目標種類多、 飛行速度高、 飛行高度范圍寬、 機動能力強， 同時為便于載機攜帶， 要求空空導彈尺寸小[1]、 重量輕。 這對空空導彈的設計提出了很高的要求。 空空導彈結構質量的增加， 不僅要影響導彈的性能， 還影響整個武器系統的性能。 質量每增加1 kg， 載機的質量就要增加7～10 kg[2]， 結構質量的減少， 就意味著有效載荷、 飛行速度和飛行距離的增加。 導引部件艙， 在結構布局上處于全彈結構的最前端， 其質量和質心分布直接影響全彈氣動與控制設計， 在保證足夠的結構剛度、 強度的情況下， 導引部件結構質量的輕量化設計對全彈的性能設計意義重大。

空空導彈的設計過程中結構材料選用的主要原則是重量輕， 有足夠的強度、 剛度和斷裂韌性， 具有良好的環境適應性、 加工性和經濟性。 鎂合金受限于其表面處理的抗腐蝕能力[3]， 因此， 目前導引部件艙內主要承力部件使用的都是鋁合金材料。 PPS復合材料常常被用來替代金屬， 具有低密度、? 耐高溫、 耐腐蝕、 耐磨、 高模量、 高強度、 高尺寸穩定性、 成型加工性能好等特點[4]， 被廣泛應用于電子電氣、 精密機械、 汽車以及航空、 航天、 艦船、 核工業等領域， 如波音、 空客客機的艙門、 機翼、 推進器部件以及主梁部分使用了改性PPS復合材料;? M1A1坦克活塞、 活塞拉桿、 調速齒輪、 閥、 彈簧座、 推進體等使用PPS復合材料， 共減重1.4 t， 降低制造成本30%; F-16戰斗機垂尾， “魚叉”導彈的鰭、 翼， F-35戰斗機的結構件， “戰斧”巡航導彈的雷達天線罩、 進氣道等也使用了PPS復合材料[5]。

PPS復合材料被廣泛應用于新型武器裝備的制造和傳統武器裝備的技術更新改進， 以替代傳統金屬、 陶瓷等材料[6]。 目前對PPS復合材料的應用得益于復合材料的高剛度、 高強度、 耐磨、 防腐蝕、 高模量等特性， 主要用于非結構承力件上， 鮮有關于PPS復合材料在武器裝備承力結構件上的應用研究及試驗介紹。

經過改性的PPS復合材料， 在強度、 剛度和沖擊韌性等性能參數上超過了導引部件用鋁合金， 但PPS復合材料作為一種工程塑料， 其成型件的整體力學性能受具體結構形式、 注塑成型工藝條件的影響， 且其沖擊韌性在低溫條件會極大地降低， 而材料的沖擊韌性正是空空導彈在設計過程中必須要重點關注的問題之一。 因此， 開展PPS復合材料在導引部件承力結構件上的應用研究， 具有重要意義。

1結構設計

本文是基于導引部件的現有結構形式， 以PPS復合材料替代鋁合金成型產品， 滿足與現有鋁合金結構件的通用性互換。 因此， 結構設計必須確定受力情況較為復雜的承力結構件作為研究對象， 在不改變鋁合金結構件的接口和其他結構要素的前提下進行局部結構優化， 既兼顧功能和接口的一致性， 又要考慮注塑模具拔模角、 成型件厚度的一致性、 注塑材料的流動性等， 以確保注塑件的力學性能。

1.1典型承力結構件的選擇

航空兵器2020年第27卷第2期陳世鋒， 等： PPS復合材料在空空導彈導引部件承力結構件上的應用研究放置艙骨架作為導引部件艙的重要結構件之一， 起到固定艙內各分機， 連接天線殼體和導引部件外殼體的作用， 其結構如圖1所示。 放置艙骨架與天線殼體的連接由4個M5沉頭螺釘固定， 與導引部件外殼體的連接由周向4個M5的盤頭螺釘固定， 艙內3個分機分別通過4個M3螺釘和2個（或4個）M2.5螺釘與放置艙骨架固定連接， 如圖2所示。 放置艙骨架承載受力情況復雜， 基本囊括了導引部件內部所有類型的受力與連接方式。

理論上， PPS復合材料的密度為1.65～1.80 g/cm3， 鋁合金材料密度為2.73 g/cm3， 對于相同體積的結構件， 使用PPS復合材料代替鋁合金， 可以實現減重34%～40%。 本文研究的PPS復合材料放置艙骨架， 鋁合金件的重量為612 g， PPS復合材料制品（包含螺紋鑲嵌件）的重量為402 g， 實現減重34.3%。

一般情況下， 放置艙骨架由鋁合金3A21成型， 先將鋁合金3A21機加成零件， 再通過火焰釬焊將零件焊接成型。? 放置艙的正常排產交付周期約為3～4個月， 但由于焊接變形， 導致焊接后產品合格率通常約90%。

因此， 選用PPS復合材料成型放置艙骨架， 不僅可以實現此承力結構件減重， 還可以縮短交付周期， 降低批產成本， 提升合格率。

1.2PPS材料及性能測試

PPS復合材料的密度小， 比強度高， 加工性能優異， 可以采用注塑、 擠出、 壓制、 燒結、 壓延等方法進行成型加工， 并可對塑料件進行二次加工 [7]。 一般應用較為廣泛的成型技術是注塑成型， 由于成型尺寸收縮率低， 尺寸穩定性好， 在熔融狀態下流動性好， 正壓下易填充模具， 具有高抗蠕變性， 通過合理的工裝和模具設計， 制造高精度、 輕量化的結構件， 并通過數控加工， 對安裝接口進行二次加工， 滿足更高等級尺寸精度需求。 同時， 注塑成型工藝具有高效穩定的特點， 適合批量生產， 模具成型后生產效率高、 交付周期短、 質量穩定、 成本低。

放置艙骨架上共包含8個M5螺紋孔， 12個M3螺紋孔， 8個M2.5螺紋孔。 PPS復合材料的螺紋可以直接注塑成型， 也可以后加工成型， 但是考慮到螺紋孔的受力情況和經常拆裝， 所有螺紋孔均通過鑲嵌金屬螺套的方法實現， 以保證螺紋的使用壽命。 結合放置艙骨架的結構特征， 為保證其成型后力學性能達到最優， PPS復合材料的放置艙骨架采用模具注塑成型工藝。 其主要通過注射機和模具完成， 能加工外形復雜、 尺寸精確， 帶有鑲嵌件的制品。

由于該PPS復合材料放置艙骨架是對現有鋁合金結構件的替換， 研究初期注塑模具的設計在最大化地還原鋁合金結構件的結構， 適當地增加拔模角， 并根據廠家提供的模具溫度等信息進行注塑成型， 成型的PPS復合材料放置艙骨架在掛飛試驗的第14 min出現碎裂。 通過對破碎機理和注塑工藝進行研究， 優化結構設計和工藝過程以獲取最優的力學性能。

PPS是結晶性樹脂， PPS制品的尖角及壁厚變化部位將產生應力集中， 并在這些部位易發生開裂、 尺寸變化、 強度（沖擊強度）下降[8]。 雖然PPS復合材料對PPS的原有特性進行了改進增強， 但依然具有PPS材料的結晶性特性， 在保持放置艙骨架原有結構功能的前提下， 對結構進行優化改進： ①在不改變放置艙骨架原有結構功能的情況下， 在適當的位置增加倒圓角達到過渡圓滑， 如圖3所示， 對放置艙骨架厚度變化處以及所有的角部位增加倒圓角， 在設計上消除殘余應力， 改善物料流動性， 保證成型過程收縮率的一致性; ②對厚度集中區域進行局部均勻化處理， 如圖4所示， 對加強筋局部結構優化， 減小最厚區域與最薄區域的厚度差， 實現整體厚度的均衡， 達到改善局部應力集中的目的， 提高注塑結構件的整體力學性能。

PPS材料本身易脆、 沖擊韌性不高， 而PPS與無機填料、 增強纖維的親和性及與其他高分子材料的相容性好， 經過填充改性后， 其拉伸強度、 彎曲強度、 彎曲模量、 沖擊強度和熱變形溫度等性能均得到明顯的提高[9]。 PPS復合材料的增強填料有很多， 如玻璃纖維、 碳纖維、 石墨、 陶瓷等[10]， 采用玻璃纖維增強PPS是一種極為有效且方便、 經濟的方法， 合適比例的玻璃纖維增強PPS復合材料， 能達到和鋁合金相當的強度和韌性。

本文根據廠家提供的PPS復合材料的力學參數， 初步篩選出滿足需求的40%玻璃纖維增強PPS（PPS-GF40）和60%玻璃纖維礦物質增強PPS（PPS-GM60）。? 為了獲得最優力學性能的PPS復合材料放置艙骨架， 在廠家推薦的模具溫度（典型值130 ℃）、 壓力（5～20 MPa）等范圍內， 以相同的工藝條件（130 ℃， 13.5 MPa）分別對兩種材料進行力學試片制作， 并選擇和廠家測試標準不一樣的美國標準ASTM進行試片的力學測試， 相關測試數據如表1所示。

PPS材料作為一種熱塑性的高性能高分子材料， 由于其分子量的分散性， 導致其力學性能的數據一般較分散。 從試驗結果看， 兩種材料的拉伸強度、 彎曲強度、 沖擊強度的測試數據標準差較小， 表明其離散性較小。 但總體來說， PPS-GF40材料的密度較小， 沖擊強度較高， 綜合性能較優， 因此， 選用PPS-GF40作為放置艙骨架的成型材料。

2PPS-GF40放置艙骨架成型

PPS的結晶性特性導致其PPS制品的結晶度直接影響制品的結構尺寸和力學性能， 其成型收縮率、 沖擊強度、 耐蠕變性及耐候性等特性均受結晶度所左右[11-12]， 因此， PPS復合材料在注塑成型過程中， 控制模具溫度以提高材料的結晶度[13]， 進而能提高成型產品的沖擊強度。

基于放置艙骨架的結構特征， 為達到脫模容易、 較高的表面粗糙度、 高結晶度、 高熱變形溫度、 高尺寸穩定性以及合適的強度， 選用120～180 ℃的高溫模具。 為了達到放置艙骨架的韌性最好， 沖擊彎曲強度最優的目標， 細化其模具溫度范圍， 以選擇最合適的模具溫度。

使用PPS-GF40材料制作試片， 測試在不同的模具溫度（其他工藝條件相同）情況下試片的沖擊強度和彎曲強度， 如表2所示。 廠家對試片的測試基于國際ISO標準， 而測試數據基于國標測試條件獲得。 由于缺少國際標準的測試設備， 所以無法用測試結果與廠家數據進行對比， 但并不影響測試數據之間的對比和對模具溫度的分析。

廠家對PPS-GF40材料注塑成型的模具溫度要求為120～150 ℃， 典型值為130 ℃。 即在模具溫度為135±15 ℃時， 成型的試片均能達到較好的力學性能; 從測試結果來看， 當模具溫度分別在125 ℃、 135 ℃和145 ℃時， 沖擊強度和彎曲強度均呈現中間高兩端低的趨勢。 在135 ℃模溫下， 沖擊強度較125 ℃和145 ℃均高出約6.17%; 彎曲強度較125 ℃高出約5.14%， 較145 ℃高出約2.92%。 綜上所述， PPS-GF40放置艙骨架注塑模溫應該控制在135 ℃左右。

3力學環境試驗

3.1試驗概況

PPS樹脂材料經過改性玻璃纖維增強后， 其力學性能有較大的提升， 尤其是韌性得到極大的改善。 PPS復合材料（PPS-GF40）作為特種工程塑料， 其韌性差的特征在低溫下會更加突出， 其沖擊強度隨溫度下降而降低[14]。 由于空空導彈的平臺特性和運動特性， 其韌性在低溫下是否滿足試驗要求是本次試驗要考核的重點內容之一。

根據某空空導彈導引部件的試驗項目和試驗方法， 分別進行溫度沖擊、 室溫下的點火沖擊、 功能性沖擊、 自主飛振動、 掛飛耐久振動、 機動飛振動、 運輸跌落試驗， 并分別在高溫（75 ℃）、 低溫（-50 ℃）環境下的進行自主飛振動、 掛飛耐久振動、 機動飛振動和功能性沖擊試驗， 考核注塑成型的PPS-GF40材料放置艙骨架的力學性能。

為了盡可能地暴露PPS-GF40材料放置艙骨架的缺陷， 試驗項目的覆蓋面較廣， 有些試驗項目具有加強破壞的性質。 因此， 試驗用導引部件的分機產品使用模擬結構件替代裝配， 模擬結構件與產品本身具有相同的體積、 質量、 質心和結構安裝接口， 模型與實物裝配圖如圖5所示。

3.2試驗過程及結果分析

按照各個試驗項目的試驗條件和方法分別進行試驗考核， 若某試驗項目的試驗過程中發現反饋傳感器監測數據異常， 則停止試驗并拆機。

依次進行溫度沖擊、 常溫下的點火沖擊、 功能性沖擊、 掛飛耐久振動、 自主飛振動、 機動飛振動、 加速度試驗、 運輸跌落試驗以及高溫（75 ℃）和低溫（-50 ℃）環境下的自主飛振動、 掛飛耐久振動、 機動飛振動和功能性沖擊試驗， 在整個試驗過程中，? 未對試驗用模擬導引部件進行任何拆解變動， 經過逐次試驗歷程， 監測傳感器數據均未發現任何異常。 所有考核試驗結束后， 對導引部件和各分機進行拆解觀察， PPS-GF40材料放置艙骨架完好， 所有連接緊固螺釘均未見松動， 放置艙骨架的結構尺寸無明顯的變形， 前、 后法蘭以及中間連接座的表面無裂紋， 所有鑲嵌不銹鋼螺套的結合處均無損傷， 如圖6所示。

放置艙骨架和配重塊裝配接觸面處能見到明顯的壓痕， 但無明顯凸凹感， 如圖7所示。 由于整個試驗項目的歷程較長， 總共下來超過3個月， 模擬導引部件及各分機均未拆卸， 且試驗項目中個別項目屬于具有破壞性質的可靠性考核試驗， 此處壓痕為配重分機與PPS-GF40材料放置艙骨架接觸面在經歷一系列環境試驗時產生的。

以上的試驗項目， 基本覆蓋了導引部件研制、 交付過程以及可靠性考核的所有力學試驗， 部分試驗中對試驗量級進行了加強， 以放大PPS-GF40材料韌性差的缺點。 試驗結果證明， PPS復合材料通過了力學環境試驗考核。

4結論

本文采用注塑成型技術制成了PPS-GF40放置艙骨架， 并依據某空空導彈導引部件環境試驗條件和試驗方法對放置艙骨架進行力學試驗考核， 歷經一系列試驗項目后放置艙骨架仍保持完好的結構完整性， 證明了PPS-GF40放置艙骨架具有較好的剛度、 強度和韌性等， 滿足空空導彈導引部件的力學需求， 能夠使用于空空導彈導引部件的承力結構件的制造成型。 但是， PPS復合材料作為一個新材料使用在空空導彈上， 其壽命是否能滿足空空導彈貯存壽命需求[15]， 仍需要通過老化壽命試驗加以證明。

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Abstract： In this paper， the support structure of? airtoair missile seeker is taken as the research object， the structural design of the frame is improved， the injection molding process of PPS composite material is studied， the frame of PPSGF40 material is manufactured， and the test is carried out under the force environment test condition of the airtoair missile seeker.The test results show that under the condition of simulating the real load assembly， PPSGF40 electronic cabin frame has no damage? to its function after the mechanical test.The results provide a new direction for the lightweight design of guidance components and engineering basis for the application of PPS composite material in airtoair missiles.

Key words： airtoair missile; seeker; lightweight; PPS; composite material