復合材料氣密包裝箱設計及試驗驗證

雷雪媛，余家泉，趙鵬飛，叢彥超，張家駿

復合材料氣密包裝箱設計及試驗驗證

雷雪媛，余家泉，趙鵬飛，叢彥超，張家駿

（中國運載火箭技術研究院，北京 100076）

為適應產品集裝化大批量輸送、環境適應性強、快速保障的需要，研究輕質高強復合材料氣密包裝箱設計方案。首先進行包裝箱設計需求分析，明晰包裝箱設計要點。其次，分別從性能、結構、工藝三方面開展設計。基于復合材料設計特點，采用系統最優的設計思路進行增強材料、基體材料和芯材料的設計及選型，提出箱體設計方法。針對內裝物長期存儲問題，提出氣密包裝箱關鍵密封結構設計方法。基于低導熱系數聚氨酯保溫材料，進行包裝箱保溫結構設計，滿足包裝箱在惡劣自然環境下的保溫要求。結合包裝箱低成本設計要求，提出包裝箱真空導流工藝技術路線。包裝箱承壓能力可以達到20 kPa以上，可適應高溫55 ℃、低溫?50 ℃的使用環境，充氣后72 h壓降不大于10%，同時可以滿足堆碼、吊裝及叉裝工作要求。該復合材料包裝箱可以適應產品快速、高效保障的需求，有廣闊的市場前景和推廣價值。

復合材料；包裝箱；氣密性

現代戰爭具有爆發突然、戰場環境多變復雜、戰爭進程快、準備時限短、保障強度大等特點，產品運輸是實施快速高效保障行動的基礎，影響著保障速度和效率[1]。戰爭中機動頻繁，要求物資在復雜環境下實現快速化保障，這對運輸包裝提出了更高的要求[2-3]。如何適應集裝化大批量輸送、快速裝卸，滿足快速保障的需求，成為亟需解決的問題。為適應這一特點，對包裝箱提出了輕質化、力學性能優良、環境適應性強、操作方便的要求。

包裝箱主要在儲存、運輸、裝卸及開箱過程中可靠地支撐內容物，確保產品安全。目前包裝箱主要使用木質、鋼制或鋁合金材料、ABS塑料等。木質包裝箱不能密封，防潮效果差，使用壽命短；鋼制包裝箱質量高，易生銹；鋁合金包裝箱質量輕，但在沿海地區不耐鹽霧腐蝕；ABS塑料輕便，防護效果好，但抗老化能力差，很難制作大型包裝箱。隨著產品防護要求的不斷提高，越來越多的包裝箱采用復合材料，例如法國的“飛魚”MM40貯存發射箱、美國的“捕鯨叉”貯存發射箱、SMA W83 mm發射筒等[4]。國內對復合材料包裝箱的研究也在逐漸增加，如大型密封航天器等產品配套復合材料包裝箱[5-6]。復合材料包裝箱具有輕質高強[7]、可設計、減震抗疲勞性能好[8]、易于批量生產、質量一致性較好、易于維修、耐候性好[9-10]、使用壽命長等特點。

本文開展了設計力學性能優良、輕質化、環境適應性強的復合材料氣密包裝箱的研究。創新性提出復合材料包裝箱箱體材料體系選型設計方法、氣密包裝箱關鍵密封結構設計方法及保溫結構設計方法，對解決目前包裝箱輕質化設計難題及提升滿足軍用裝備在惡劣環境條件下的包裝、運輸及儲存能力，具有十分重要的現實意義。

1 包裝箱設計需求

1.1 輕質化

包裝箱頻繁操作使用，必須進行結構輕質化設計，操作靈活性設計，為操作人員減負。包裝箱結構優化、質量減少，可有效降低對廠房桁吊或外場汽車吊等保障設備的要求，有利于基礎設施建設。復合材料成型箱體可實現結構功能一體化，達到較好的減量效果。

1.2 低成本

包裝箱的設計需重點考慮低成本因素，不僅包括研制的低成本，重點是將保障成本、使用成本、學習成本、訓練成本、使用成本考慮在內。包裝箱設計過程中在方便人員操作使用的同時，應努力提升產品效費比，使在有限的資源里實現更多的性能和目標。

1.3 環境適應性強

未來的作戰環境一定是越來越復雜多變，跨區、外場使用等復雜工況增多，對包裝箱的環境適應性提出了更高的要求。復合材料箱體環境適應性強，且未來產品長期存儲的要求高，氣密包裝箱是不可或缺的設備，充氮氣使內裝物始終處于一個氣壓相對穩定的密封環境中，可以對內裝產品起到較好的保護作用[11]。

2 復合材料包裝箱設計

復合材料的最大的特點是材料性能具有可設計性[12-13]。復合材料包裝箱設計的主要方面包括性能設計、結構設計和工藝設計，此三方面均為不可或缺的。性能設計是按照使用目的和使用條件，設計出的復合材料包裝箱能夠滿足設計的性能要求。結構設計是按照性能指標和承載情況，合理設計包裝箱結構尺寸，以確保箱體的安全性和可靠性。工藝設計是按照結構特點來選擇最適合的成型方式，并且要以最大化降低成本為目標。

2.1 性能設計

2.1.1 安全性設計

包裝箱安全性設計一般包括材料選型安全、結構安全、運輸安全、跌落安全等。包裝箱所選材料均為宜完全固化的熱固性樹脂纖維復合材料，無毒無害，安全性高。內裝產品結構與包裝箱箱壁的安全間隙均大于30 mm（在包裝箱尺寸和質量允許的情況下，安全間隙應盡可能增大），產品進出箱過程中采用導向設計，導向設計一般指在進出箱過程中對產品進行方向性的指引設計，包括導向導軌、導向銷、導向桿等，在存儲、操作和運輸過程中均能有效保護內裝物安全。包裝箱箱體高強度設計的同時，選用大截面、高流量安全閥件，增大安全閥的泄壓能力，適應長距離運輸、高原等全天候使用的工況要求。產品在包裝箱內放置時，采用軸向和徑向復合鎖定的方法，實現對產品的可靠固定，確保在跌落等工況下保護內裝產品安全。

2.1.2 密封性設計

采用成熟的復合材料成型加工技術，真空輔助加壓結構層，接力式真空加壓傳遞導入復合成型工藝。在確保復合材料本體各層間結合強度的同時，提高基體面板的無界面高致密性，保證大面積密封要求的同時，密封面采用特殊的結構形式與材料，有效實現低漏率超效密封。

2.1.3 人機工程設計

包裝箱所有操作無需專用工具均可徒手操作，滿足操作便捷性和短時響應。包裝箱采用“四點式防撞+攀巖仿生”（腳踏和扶手）一體化設計，即將具有緩沖功能的防撞塊和上箱操作的腳踏扶手進行一體化設計，簡化結構的同時可方便人員在包裝箱多層碼垛工況下進行上層包裝箱的操作。產品緊固結構操作可實現“一鍵轉換”操作，搭扣形式免調節，操作便捷可靠且提高了使用安全性。

2.2 復合材料箱體設計

復合材料包裝箱必須根據性能要求，選用適合的增強材料和基體材料組合。增強纖維起到結構增強、防護等作用。目前，國外復合材料包裝箱的增強材料主要有玻璃纖維和碳纖維。其中，大多數使用玻璃纖維，而部分則采用碳纖維。雖然玻璃纖維的成本較低，但碳纖維的性能優于玻璃纖維，更適用于重要的場合。樹脂基體的作用在于負載轉移，基體材料大多選擇環氧樹脂或不飽和聚氨酯樹脂。選擇環氧樹脂是因為固化方便、黏接力強、收縮性低，固化后的環氧樹脂具有優異的力學性能。由于復合材料的比強度、比模量大，復合材料包裝箱在滿足強度、剛度條件下可以實現較好的減重效果。

包裝箱箱體本體采用三明治夾芯結構，由高強纖維增強蒙皮、輕質夾芯材料和金屬骨架組成，典型端面結構見圖1。在主要承力部位內嵌金屬骨架，骨架處采用纖維布包裹，加強蒙皮和骨架的連接，實現更好的載荷傳遞。

2.2.1 增強材料設計

增強材料使用玻璃纖維。由于增強纖維的性能一般比基體性能高2～3個數量級，因此高性能復合材料的力學性能很大程度上取決于所選纖維的性能。常見的增強纖維有碳纖維、芳綸纖維、玻璃纖維等，但玻璃纖維以耐熱性好、耐腐蝕性好、力學強度高等優點應用最為廣泛。玻璃纖維的主要性能指標見表1。

圖1 包裝箱本體端面示意圖

2.2.2 基體材料設計

常用的基體材料有環氧樹脂、不飽和聚酯樹脂、酚醛樹脂等，環氧樹脂強度高，酚醛樹脂耐溫性好，但都存在成型工藝差的缺點，不飽和樹脂成型工藝好，但力學性能一般，綜合考慮常溫成型工藝參數、材料性能、成本等因素，本設計方案選用環氧改性乙烯基樹脂。在不飽和聚酯環氧改性的基礎上，添加乙烯基樹脂，從而形成了高性能的環氧樹脂。不同種類的熱固性樹脂對比見表2。

2.2.3 芯材料設計

復合材料芯材的作用不僅在于支撐面板，而且可以防止它們產生向內或向外的彎曲變形，同時還能保持它們彼此在相應的位置上。添加了芯材，導致2個面板之間的間距擴大，從而使整個夾層結構材料的截面慣性矩增大，提高了其整體剛度和強度。可以通過使用低密度夾芯材料來提高夾芯結構的彎曲強度，同時能夠減輕結構的重量。夾芯材料是應用于復合材料的一種材料，其種類包括輕木、鋁蜂窩、PMI泡沫和聚氨酯泡沫。本設計采用聚氨酯泡沫層結構，在保證結構剛度的同時有效降低結構重量。

表1 玻璃纖維主要性能指標

Tab.1 Main performance indexes of glass fiber

表2 不同種類的熱固性樹脂對比

Tab.2 Comparison of different types of thermosetting resins

2.3 密封結構設計

2.3.1 箱門與箱本體密封設計

箱門通過鉸鏈和鎖扣與箱本體連接，箱本體與端門夾心層預埋金屬嵌件，使用螺釘固定鉸鏈及鎖扣。為確保包裝箱密封性，在箱體和箱門之間設置金屬過渡件，使用快開式鎖扣壓緊箱門及箱體之間的密封膠條實現密封。選用波紋型密封膠條在箱門鎖緊時還可增加密封層級，進一步保證箱體氣密性。箱門與箱本體密封結構見圖2。

圖2 密封結構

2.3.2 箱本體安裝件密封設計

箱體表面根據功能要求設計有充氣閥、放氣閥、安全閥等閥件。為便于安裝和拆卸，設計金屬安裝組件，安裝座與箱體通過“膠接+螺接”的密封形式與箱體安裝固定，閥件通過機械密封（螺接加密封件）或增加O型密封圈安裝在安裝座上，實現閥件與安裝座之間的密封，結構示意圖見圖3。

2.4 保溫結構設計

復合材料包裝箱在緊急情況下需要為內裝產品在短時間內提供相對穩定的溫度環境。包裝箱采用輕質“玻璃鋼+聚氨酯泡沫層+玻璃鋼”復合材料夾芯結構。玻璃鋼可為包裝箱提供結構強度和剛度，其導熱系數約為0.4 W/(m·K)，屬于低導熱系數材料，可為包裝箱提供一定保溫功能。復合材料夾芯結構的保溫功能優于同厚芯材的保溫功能。箱體為多層平壁板狀結構，傳熱系數按式（1）計算。

式中：αN為箱體內壁換熱系數；αw為箱體外壁換熱系數；δ為箱體夾芯結構各層厚度；λ為導熱系數。

經試驗測得聚氨酯泡沫層導熱系數為0.03 W/(m·K)，內外蒙皮厚度為2 mm，芯材厚度為30 mm，計算得到傳熱系數=0.95 W/(m2·K)；取1.5倍安全裕度，則傳熱系數=1.43 W/(m2·K)。

通過仿真計算，在環境溫度為40 ℃、時間為4 h條件下，箱內溫度由初始30 ℃增長至37 ℃；在環境溫度為–40 ℃，時間為4 h條件下，包裝箱內溫度由初始5 ℃降低至–26 ℃。

2.5 包裝箱工藝設計

復合材料成型工藝主要有手糊成型、RTM成型、真空導入成型、模壓成型、纏繞成型、熱壓罐成型等幾種方式，這些方式用于生產復合材料都有其特點和適用范圍[13-14]。

手糊工藝可以制備大尺寸、形狀復雜的制件，但其產品質量穩定性差、生產效率較低。熱壓罐工藝制備的產品具有優異的性能和高質量穩定性，但需要投入的設備和材料成本都非常高。非熱壓罐預浸料成型（Out of Autoclave，OOA）生產工藝簡單、質量可靠，但對預浸料的要求較高。現階段適合OOA成型工藝的預浸料較少，且固化溫度普遍較高。干法纏繞工藝生產效率高，且質量穩定性好，但需要投入的設備投資較大，產品的層間剪切強度低，且方箱4個平面無纏繞張力，需要真空袋壓輔助成型。濕法纏繞工藝可以纏繞大尺寸回轉體，而且產品氣密性好，生產效率高，但產品含膠量不易控制，可供濕法纏繞的樹脂品種較少，且方箱4個平面無纏繞張力，需要新增壓板和固定工裝對其施壓，操作較復雜。

真空導入工藝可以在施工時同時鋪覆內外蒙皮、加強筋、夾芯結構及其他嵌件，因而大大提高了產品的整體強度；且真空導入工藝生產的復合材料纖維含量高、孔隙率低，尤其是層間剪切強度非常高，大大提高了產品的抗疲勞性能。但該工藝施工較為復雜，需要合理設計和布局真空導流鋪覆順序和管路，需要使用到真空泵、真空袋膜、脫模布、透氣氈及導流管等輔助材料，輔材投入成本稍高。真空導流工藝示意圖見圖4。

圖4 真空導流工藝

3 復合材料包裝箱試驗驗證

3.1 承壓試驗

承壓試驗的目的是考核復合材料箱體承受內壓的能力，尤其是在高溫條件下承受內壓的能力。對包裝箱進行高溫、內壓工況試驗，將箱體表面通過伴熱帶加溫至80 ℃以上，內部液壓千斤頂對箱體施加20 kPa的壓力進行試驗。

承壓試驗進行30 h，最高溫度為92 ℃，最低溫度為74 ℃，平均溫度為83 ℃，最高內壓為24 kPa，最低內壓為20 kPa，內壓均值為22 kPa，最大變形量為0.4 mm，最小形變量為0.16 mm，變形量均值為0.31 mm，表面無裂痕等缺陷，即箱體在高溫下力學性能滿足設計要求。包裝箱承壓變形曲線見圖5。

3.2 高低溫試驗

高低溫試驗的目的是考核復合材料包裝箱在高低溫條件下儲存和工作的適應性。高低溫試驗一般按照GJB 150.3、GJB 150.4執行。對包裝箱進行高低溫試驗，在高溫55℃環境下，暴露7 h后，包裝箱內溫度為48 ℃；在低溫?50 ℃環境下，暴露7 h后包裝箱內溫度為?21 ℃。試驗結果見圖6，表明包裝箱可以滿足高低溫環境使用。

圖5 包裝箱承壓變形曲線

圖6 高低溫試驗結果

3.3 氣密性試驗

氣密性試驗的目的是考核復合材料包裝箱的氣密性能。對包裝箱開展了氣密性試驗，包裝箱充氣穩壓后保持72 h，壓力泄露不超過10%（排除溫度影響）。對包裝箱進行了2個月長期存儲試驗，試驗結果見圖7。試驗表明，經過63 d的長期存儲，包裝箱內壓力降低了約15%，包裝箱氣密性良好，可以對內裝產品起到良好的保護作用。

3.4 堆碼試驗

堆碼試驗[15]的目的是考核包裝箱在堆碼工況下箱體表面的承壓能力和堆碼接口的匹配性。堆碼試驗一般參照GJB 4403A—2018中“5.1.4.4堆碼試驗”規定的方法執行。包裝箱可實現多層堆碼，對包裝箱進行了堆碼試驗，將一個滿載的包裝箱碼放至另一個空載的包裝箱上，兩箱堆碼機械接口匹配協調。放置5 d后，被試品無塌陷、無損壞，變形量約為2 mm。

3.5 吊裝試驗

吊裝試驗的目的是考核包裝箱在起吊工況下的結構強度。吊裝試驗一般參照GJB 2711—96中“方法8機械裝卸試驗”中“5.2.2利用起吊件的吊索起吊法”規定的方法執行。使用起吊設備分別對滿載包裝箱和空載包裝箱進行了吊裝試驗，吊裝平穩，可以實現安全起吊。起吊高度不小于2 m，起吊時間不小于5 min。試驗后檢查，被試品無變形、無破損、配件無損壞。

3.6 叉裝試驗

叉裝試驗的目的是考核包裝箱在叉裝條件下的結構強度。叉裝試驗一般參照GJB 2711—96中“方法8機械裝卸試驗”規定的方法執行。使用叉車對準包裝箱箱體叉車位置標識，將包裝箱平穩叉起，叉孔位置滿足安全叉運，保持離地高度不小于1 m，叉裝時間不小于20 min。試驗后檢查，被試品無變形、無破損。

4 結語

本文圍繞包裝箱的設計需求，以質量輕、強度高、成本低、環境適應強為設計思想，開展了復合材料包裝箱設計、試驗驗證以及實際使用驗證。得出該產品技術性能良好、操作性強，可以適應產品快速、高效保障的需求。該設計方法和理念可以應用至其他地面設備設計，具有廣闊的市場前景和推廣價值。

[1] 趙吉敏, 汪文淼, 回成月, 等. 軍用卡扣式可拆裝包裝箱應用研究[J]. 包裝工程, 2018, 39(21): 235-240.

ZHAO J M, WANG W M, HUI C Y, et al. Application of Military Dismountable Buckle Packaging Box[J]. Packaging Engineering, 2018, 39(21): 235-240.

[2] ZHU Y J, WANG J J, NIE X, et al. Structural Performance of Slabs in Composite Box Girder Considering Compressive Membrane Action[J]. Engineering Structures, 2020, 212: 110457.

[3] 陳王輝，柴朋軍，邢會霞等，復合材料彈頭及部段包裝箱的設計研究[J]．玻璃鋼／復合材料, 2020(5): 34-36

CHEN Y H , CHAI P J, XING H X, et al. Design of Missile Packing Box[J]. Fiber Reinforced Plastics Composites, 2020(5): 34-36.

[4] 楊永偉, 張靜, 王清晨. 彈藥包裝箱鐵路運輸試驗問題及對策[J]. 包裝工程, 2019, 40(7): 246-249.

YANG Y W, ZHANG J, WANG Q C. Problems and Countermeasures of Railway Transport Test for Ammunition Packing Boxes[J]. Packaging Engineering, 2019, 40(7): 246-249.

[5] 康寶臣, 郭志軍, 薛貴林. 大型密封包裝箱復合結構設計與優化分析[J]. 數字海洋與水下攻防, 2018, 1(3): 63-68.

KANG B C, GUO Z J, XUE G L. Composite Structural Design and Optimization Analysis of Large Sealed Packing Box[J]. Digital Ocean & Underwater Warfare, 2018, 1(3): 63-68.

[6] 蔡建, 詹永富, 胡秉飛. 復合材料密封包裝容器干燥控濕設計研究[J]. 包裝工程, 2014, 35(3): 112-116.

CAI J, ZHAN Y F, HU B F. Moisture-Proof and Humidity-Control Design of Sealed Composite Packages[J]. Packaging Engineering, 2014, 35(3): 112-116.

[7] 孫樹凱. 航空發動機玻璃鋼包裝箱強度校核及有限元分析研究[D]. 北京: 華北電力大學, 2016: 5-10.

SUN S K. Strength Check and Finite Element Analysis of FRP Packing Box for Aero-Engine[D]. Beijing: North China Electric Power University, 2016: 5-10.

[8] 李海連, 羅春陽, 李忠山, 等. 玻璃鋼包裝箱氣體密封結構及壓差控制系統設計與試驗[J]. 液壓與氣動, 2018(9): 87-91.

LI H L, LUO C Y, LI Z S, et al. Design and Experimental Research on Gas Seal Structure and Differential Pressure Control System of GFRP Packaging Box[J]. Chinese Hydraulics & Pneumatics, 2018(9): 87-91.

[9] 李順林, 王興業. 復合材料結構設計基礎[M]. 武漢: 武漢工業大學出版社, 1993.

LI S L, WANG X Y. Fundamentals of Composite Structural Design[M]. Wuhan: Wuhan University of Technology Press, 1993.

[10] 中國航空研究院. 復合材料結構設計手冊[M]. 北京: 航空工業出版社, 2001.

Chinese Aeronautical Establishment. Handbook of Structural Design of Composite Materials[M]. Beijing: Aviation Industry Press, 2001.

[11] 譚其才. 空-空導彈用玻璃鋼包裝箱的設計和制造[J]. 玻璃鋼/復合材料, 1992(6): 32-34.

TAN Q C. The Design and Preparation of the Frp Packing Box for air-to-Air Guided Missile[J]. China Industrial Economics, 1992(6): 32-34.

[12] 王榮國. 復合材料概論[M]. 哈爾濱: 哈爾濱工業大學出版社, 1999: 1-6.

WANG R G. Introduction to Composite Materials[M]. Harbin: Harbin Institute of Technology Press, 1999: 1-6.

[13] 王耀先. 復合材料結構設計[M]. 北京: 化學工業出版社, 2001: 1-10.

WANG Y X. Composite Structural Design[M]. Beijing: Chemical Industry Press, 2001: 1-10.

[14] 肖翠蓉, 唐羽章. 復合材料工藝學[M]. 長沙: 國防科技大學出版社, 1991.

XIAO C R, TANG Y Z. Composite Technology[M]. Changsha: National Dedense Science and Technology University Press, 1991.

[15] 李廣超, 朱明瑞. 某產品包裝箱使用工況考核試驗[J]. 科技創新與生產力, 2018(10): 63-65.

LI G C, ZHU M R. Working Condition Test of the Packing Box of a Product[J]. Sci-Tech Innovation and Productivity, 2018(10): 63-65.

Design and Experimental Verification of Composite Material Airtight Packaging Box

LEI Xueyuan, YU Jiaquan, ZHAO Pengfei, CONG Yanchao, ZHANG Jiajun

(China Academy of Launch Vehicle Technology, Beijing 100076, China)

The work aims to explore a design scheme of lightweight high-strength composite packaging boxes to meet the needs of mass transportation and strong environmental adaptability and rapid support of product containerization. Firstly, the design requirements of packaging boxes were analyzed to clarify the design points of packaging boxes. Secondly, the design was carried out from three aspects: performance, structure and process. Based on the design characteristics of composite materials, the design of reinforcing material, matrix material and core material was carried out according to the optimal design idea of the system, and the design method of boxes was proposed. Aiming at the long-term storage problem of products, the key sealing structure design of airtight packing boxes was proposed. Based on the low thermal conductivity polyurethane insulation material, the structure of packaging boxes was designed to meet the insulation requirements of packaging boxes in harsh environments. Combined with the low cost design requirements of packaging boxes, a process technology route of packaging boxes was put forward. The pressure bearing capacity of packaging boxes could reach more than 20 kPa, which could adapt to the environment of high temperature 60 ℃ and low temperature –55 ℃. The pressure drop 72 h after inflation was not more than 10%, and it could meet the requirements of stacking, hoisting and fork loading. The composite packaging boxes can meet the needs of rapid and efficient support of our military ammunition, and have broad market prospects and promotion value.

composite materials; packaging box; air tight

TB482.2

A

1001-3563(2024)03-0292-07

10.19554/j.cnki.1001-3563.2024.03.034

2023-04-22