（首钢集团有限公司矿业公司职工子弟学校，河北迁安 064404）

0.引言

实现飞机轻量化，减少重量和使用的燃油是航空航天技术发展必不可少的一环。采用轻质材料实现轻量化是其中的途径之一。

性能优异的新材料可以提高飞机性能，如轻型技术材料和复合材料，可以减轻飞机重量，提高飞机的性能延长使用寿命。本世纪开始，复材用量已成为衡量飞机先进性的重要标志[1]。碳纤维复合材料是以树脂为基体，碳纤维为增强体的复合材料，被广泛应用于军事、民用各个领域，尤其是航空航天领域后，展现出的优异特性使它成为一种不可或缺，同时又不可多得的多功能的特种工程材料[2]。由于碳纤维复合材料具有耐高温，比强度高和比模量高等力学特性，常被应用于火箭的排气锥体、发动机盖、壳体、燃烧室、发动机喷管以及设备保护罩等部位[2]。

电子设备保护罩位于旋翼无人机底部，是它保护光电设备等部件在飞行过程中免受外界环境影响的保护性结构，同时也是飞行器主体的一部分。本文尝试使用碳纤维复合材料制作保护罩以提升飞机保护罩的原有性能，碳纤维复合材料具有高强度、比重小、可设计性强、环境适应性强等优点，预计可以减轻飞机保护罩重量，优化飞机保护罩性能，延长飞机使用寿命[3]。

1.保护罩优化设计

1.1 铝合金保护罩和碳纤维复合材料保护罩强度对比分析

利用计算软件对1.5mm厚铝合金保护罩设计方案与1.5mm厚碳纤维复合材料设计方案进行对比，发现在同样的外压载荷下，碳纤维复合材料相比铝合金保护罩强度更高（剩余强度百分比更大），并且受力集中于保护罩边缘区域，如图1所示。

图1 同样厚度铝合金保护罩与复合材料保护罩的静强度分析

由于碳纤维复合材料密度（1.55g/cm3）相比铝合金材料密度（2.7g/cm3）低了42%左右，因此通过把铝合金结构优化为碳纤维结构，保护罩厚度不变，实现了42%的减重。

1.2 碳纤维复合材料保护罩减重优化

为了让飞机结构进一步减重，需要对复合材料保护罩进行进一步优化设计，使其轻量化程度更好，上一节分析中，碳纤维复合材料的剩余强度超过24%，因此可以继续降低复合材料厚度，使得剩余强度更低，从而降低设计冗余度实现减重。

最终经过进一步仿真计算发现，可以通过优化保护罩厚度到1.4mm，压缩设计中的剩余强度，可进一步实现了6.7%减重，减重后复合材料整流罩应变云图如图2所示，该结构仍保有13.5%剩余强度，剩余强度较为合理[4]。

图2 碳纤维复合材料保护罩（1.4mm）应变云图

优化展望：根据上一节的受力分析我们可以发现碳纤维保护罩边缘区域受力较大，其他区域受力较小，因此可以考虑保持边缘区域厚度同时降低其他区域厚度，实现进一步减重，本工作考虑制造和试验成本，暂时不进行进一步优化。

2.实验器材

实验器材见表1，表1列出了实验材料（铝合金及碳纤维复合材料）的拉伸模量、拉伸强度、密度、比刚度和比强度。

表1 实验材料及指标介绍

3.实验步骤

实验步骤主要包括：保护罩三维结构及样板绘制，铺层设计，数据模拟与比较。

3.1 保护罩三维结构及样板绘制

使用NX10.0软件对保护罩进行设计，便于测试保护罩的刚度、强度，剩余强度以及许用值。保护罩高74mm，直径550mm。保护罩模型如图3。

图3 保护罩样板绘制图

3.2 进行铺层设计

铺层设计是根据复合材料各向异性设计，从而避免应力集中，有利于载荷扩散。制作保护罩过程中需要使用预浸料铺层，预浸料是通过热熔法把碳纤维布和固态树脂膜先压紧预浸，形成预浸料。将预浸料糊在护罩壳模具上。

铺层过程需要考虑铺层间隙控制和畸变控制等情况。预浸料和预浸料的间隙不能过大，否则会影响密封效果，可能出现气流扰动，引起保护罩与其支撑骨架的震动，最终可能对其结构造成破坏。实验中出现间隙时用下一层预浸料将间隙盖住，以此对间隙进行控制。

铺层时还需要充分考虑面板材料单层厚度和规格，在实验中我使用的是0.2mm的预浸料，需要铺7层。每个铺层的空隙处都会被下一铺层的预浸料盖住，以保证保护罩完全被铺层覆盖。

手铺完成后将外面的模具扣起来，加热加压固化后就形成保护罩产品了。

4.讨论与分析

通过软件模拟，碳纤维复合材料制作的保护罩和铝合金制作的保护罩相比，剩余强度比铝合金保护罩增加9%，减重42%。

此外，我在保证可靠性的提前下，通过优化保护罩厚度降低剩余强度，实现了进一步减重6.7%，剩余强度不低于13%（剩余强度在10%到20%之间较为合理）。

5.结语

实验通过改变保护罩的材料以及厚度，实现了保护罩的轻量化。通过把铝合金结构优化为碳纤维结构，保护罩厚度不变，实现了42%的减重；通过优化保护罩厚度，压缩设计中的剩余强度，又实现了6.7%的进一步减重。