某种复合材料轻量化机载设备支架的研制

季陈 姬婉婷

摘 要：本文根据某种复合材料机载设备的技术要求，围绕其轻量化及结构指标以及其它的使用要求，给出了一种用于某种复合材料轻量化机载设备支架的研制方案。

关键词：复合材料机载设备;总体结构设计;强度设计;轻量化

在当前节能减排的大背景下，轻量化是承载构件的发展趋势之一，特别是在对结构质量敏感的航空航天、轨道交通车体框架等领域中。碳纤维复合材料机载设备既有箱形截面惯性矩大、抗扭性能好的特点，又能发挥复合材料轻质高强、可设计性强的优势。

本项目主要根据复合材料材质，重量轻、比强度高、荷重比高、耐腐蚀、耐盐雾、环境适应性强、耐冲击和高性价比等特点，给出了一种用于某种复合材料轻量化机载设备支架的研制方案。

1 复合材料轻量化机载设备支架总体结构设计

复合材料轻量化机载设备支架外形尺寸为670×570×403mm，由支架外壳、支架盖及密封条三部分组成。

机载设备支架外壳和支架盖均为2mm的壳体结构，整体重量约3.25kg，十分轻便，所有零件所用碳纤维复合材料模压成型。初步设计成型的机载设备支架外壳复杂的整体结构，给模具设计制造和产品制造带来很大困难，也使生产成本大幅度提高，因此需要对支架外壳结构优化处理

在保证外形尺寸的前提下，将整体式的箱外壳拆成均厚，厚度仍为2mm的支架外壳1和支架外壳2两个部分，结构如下图1所示。

同时对于支架外壳1与支架外壳2之间采用胶铆连接，既能满足力学性能要求，又保证了外观质量。

优化设计后的复合材料轻量化机载设备支架在外形上为对称结构，要求设备支架内表面光滑平整。同时要求支架盖与支架外壳之间配合准确，装配阶差不大于0.2mm;支架外壳1与支架外壳2之间配合准确，外形公差满足±0.2mm。

1.1 机载设备支架材料及相关要求

复合材料记载设备支架盖、支架外壳1和支架外壳2采用高温环氧树脂碳纤维预浸料7901-33%-12KT700-U-200gsm和7901-40%-3KT300-T-200gsm，其中7901-40%-3KT300-T-200gsm 铺贴在产品内外表面。

1.2 机载设备支架模具设计及相关要求

为达到产品质量和工艺成型要求，机载设备支架外壳模具和支架盖模具具有以下特征：1）闭模结构，保证产品尺寸;2）模具型面精加工处理，保证产品表面精度;3）碳钢材质，满足中温成型要求。

机载设备支架外壳1模具（详见图2）外形尺寸为672×668×132mm，模具重量为420kg（其中上模166kg，下模249kg），材质为45#钢;箱外壳2模具外形尺寸为668×503×132mm，模具重量为330kg（其中上模115kg，下模200kg），材质为45#钢。箱盖模具外形尺寸为664×483×135mm，模具重量为260kg。

对于设备支架盖、支架外壳1和支架外壳2模具工作面上均有相关位置刻度线，用于产品外形修剪定位。所有模具按照工作状态，在模压机内于固化温度下进行试验，真空度符合要求。

1.3 机载设备支架的固化要求

安放热电偶：在模具上安放1个热电偶监控固化周期。设定固化程序：以≤3℃/min的升温速率从室温→80℃，并在（80±5）℃下保温30min;以≤3℃/min的升温速率从80℃→130℃，并在（130±5）℃下保温180min;以≤3℃/min的降温速率从130℃→50℃;手动预压，预压过程合模缝隙控制在5-7mm。预压结束10Mpa保压，补压压力设置为8Mpa，详见图3固化温度图。最后移除产品上、下模，按照切割线进行修剪，对产品进行外形尺寸、外观质量和内部质量检测。

2 结束语

通过模拟可得，该复合材料轻量化机载设备支架相对于原金属机箱减重70%，比PP塑料箱减重50%，结构强度高，吸震性能好，隔音减噪，外观设计性强。可应用于通信设备、军事、户外和卫星车载等行业。该项目研制是我司在轻量化设计方面进行的一个科研项目，通过该项目的研制对我司在轻量化技术方面进行一定的技术积累，同时可以通过该项目研制的产品对外进行轻量化业务拓展，获得航空机载设备、轨道交通等轻量化产品的生产机会，具有战略性意义。

参考文献

[1]《碳纤维复合材料轻量化技术》编委会.碳纤维复合材料轻量化技术[M].科学出版社，2015.

[2]钱伯章.破解国产碳纤维复合材料困局[J].合成纤维，2017（9）.

[3]宋燕利，杨龙，郭巍，华林.面向汽车轻量化应用的碳纤维复合材料关键技术[J].材料导报，2016（17）.

作者簡介

季陈（1995-），男，本科，主要从事复合材料项目拓展工作。