ISO复合材料方舱.pdf

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1、2 0 0 5年 3月 美军研制 I S O复合材料战术方舱 第 4卷第 1 期 美军研制 I S O复合材料战术方舱 根据与美国希尔(Hil 1)空军基地签订的第 阶段 I S 0复合材料战术方舱研制合同(合同号为 F 4 2 6 5 0 0 3 一C一0 0 2 9)，We b c o r e 技 术公 司和热 塑(T h e r m o p l a s t i c)复合材料设计公司在 2 0 o 3年美国国防部 战术 方舱联合委员会的年会上展示 了它们合作研制的 I S O 复合材料战术方舱，并各 自介绍 了它们采用的工艺技 术。1 研制 I S O复合材料战术方舱的背景 现行的可运输方

2、舱都采用薄铝蒙皮夹芯板，采用 钢或铝制框架。因此易被腐蚀，表面易损坏。为此，美 国国防部每年要花费数以百万计的美元来修理和更换 此种金属方舱。图 1 现行 的 2 O英尺长 的 I S 0方舱 在 2 0 0 2年 1月完成 了对复合材料方舱可行性分 析，认为先进的复合材料重量轻、强度高、抗腐蚀、在节 约费用和减轻重量方面大有潜力。2 合同目标 2 1 研究和完成 2 0英尺长 I S O复合材料战术方舱 的验收试验 验收试验主要内容：We b c o r e 技术公司的热固性基质的复合材料 大板；热塑复合材料设计公司的用钢增强的热塑基 质的复合材料框架。2 2 研究和验证大板选用的浸渍压制工

3、艺 一1 4 3 I S O复合材料战术方舱的规格 3 1 由空军、海军和陆军代表组成的小组制订的系统 要求文件【S R D)的内容主要来 自：AS TM E一1 9 2 5，“硬壁 可 移动 结构 的工 程 和 设计准贝 ll”；-海军部文件 1 3 3 9 A S 4 6 3“质量保证条款和试 验”；有关箱体安全的试验要求通用条例；-方舱总重为 2 0 0 0 0磅)9 0 7 2公斤)，空重小于 或等于 4 9 0 0 磅(2 2 2 3公斤)。3 2 大板研制的主要指标(由 We b e o r e 公司负责)壁板、顶板和底板的容许冲击：7 0磅(3 1 8公 斤)重的冲击器，具有 3

4、英寸(7 6 2毫米)直径 的半球 形冲击头从 3 0英寸(7 6 2毫米)高度跌落造成的冲击。连接强度：在任意方向上可承受 2 0 0 0磅(9 0 7 公斤)的拉力；研究对紫外线的耐久性、防火性能、热传导性 能和颜色。4 We b c o r e 技术公司的纤维增强泡沫(F I )复合材料夹芯板技术 该公司 自1 9 9 1 年以来一直是结构夹芯板 的纤维 增强泡沫芯技术的先行开发商。该公司在俄亥俄州达 顿(D a y t o n)市国家复合材料中心有 2 5 0 0 0英尺(2 3 2 3 米)的制造厂房和办公室，其主要工作为：负责纤维增强泡沫芯预制件的生产和销售；负责纤维增强泡沫芯制造

5、工艺的研发；负责制模工艺的研发；负责夹芯结构应用方面的研发；作材料试验；作大尺寸结构试验。4 1 纤维增强泡沫复合材料夹芯板的制作步骤 第一步是采用低成本密闭泡沫腔的泡沫，在泡沫 上适当放置干的结构纤维，采用合适的制造工艺，制成 纤维增强泡沫芯预制件。第二步是在纤维增强泡沫芯预制件上适当放置贴 维普资讯 http:/ 存4卷第 1 期 方舱与地面设备 2 0 0 5年 3月 增强材料，采用热固性树脂浸渍压制，制造出符合要 R 的夹芯板。一 篷 一 舔 旨 图 2 各种纤维增强 泡沫芯预制件 纤维增强泡沫复合材料夹芯大板除在方舱上使用 外，可用作临时机场垫 板、桥 台、海 军 的防水 门 和防弹

6、 板。图3 电子设备方舱用的防弹板 4 2 抗冲击性能 此种大板采用低成本 的制模工艺，即真空支持树 脂输送制模工艺(拉压工艺)，由于采用高性能的夹芯 和集成的高性能板结构，因此具有好的抗冲击性能。图 4是 海军对该板所作 的抗冲击性能 的试验结果。冲击能量(英尺)图 4 美海军作抗 冲击 性能试验 的结果 3 I S 0复合材料战术方舱用的“管形芯”纤维增强 曳 沫 大板 试验 了 1 6种 大板 的结 构设计，“管形芯”大板设计 邑 其 中之一。工作的关键问题是使材料成本和大板重量减至最 小，其中的设计变量是泡沫、贴面纤维类型和总重量、芯材的网膜问隔、树脂、设备安装连接件用的罐封粘结 剂。

7、主要的结构设计要素为连接件的拉伸强度和抗冲 击能力。一1 5 维普资讯 http:/ 年 3月 美军研制 I S O复合材料战术方舱 第 4卷第 1 期 拘“管 形 芯”纤维 强泡沫 预制 件 以螺旋形 式布 设 图 5“管形芯”预制件 图 6“管形芯”复合材料结构 大板的原始设计数据为：侧壁板和顶板厚 2英寸 8 毫米)，底板厚 3英寸(7 6 2 毫米)。侧壁板单位面积重 2 8磅 英中(1 3 6 7 公斤 米)舱表面平均单位面积重3磅 英尺(1 4 6 5公斤 (侧板、顶板和底板的平均值)7 0 磅(3 1 7 5公斤)的冲击器 3英寸(7 6 2毫米)冲击头从 3 0英寸(7 6 2

8、毫米)高度下落至大板上，有小的凹坑，无表面裂纹，在 冲击处下芯只有局部 连接件(舱载设备安装用)采用双组份丙烯酸酯粘结剂来罐封插件。要求罐封插件能装在任何连接位置(已成功)；要求罐封插件在小于 2 0 0 0磅(9 0 7 2公斤)拉 不损坏(已成功)；-1 6 一 要求 罐封插 件在 1 0英 尺 一磅(0 1 3 8米 一公 斤)转矩下不损坏(已成功)；正在为海军研究铆钉螺母安装连接方案。图 7 钻孔 图8 清除泡沫，露出复合材料 图 9 用粘结剂注入孔 穴(不全注满)图 1 0 插入螺纹连接件 4。5 对大板 的其它要求 热传 导 整舱热传导要求：0 2 5 B T U (小时 英尺 下

9、)维普资讯 http:/ 第 4卷第 l 期 方舱与地面设备 2 0 0 5年 3月 图 l l 固定插件 图 1 2 罐封整个 注入 口 侧板热传导要求，实测值：0 1 5 B T U(4 时 英 尺 。F)颜色(白色或沙漠色)采用含颜料的树脂或采用涂料(杜邦公司的 T e d l a r 膜或胶 状涂料)耐火性 在树脂里掺人防火添加剂。耐 紫外线 能力 在树 脂里 加紫外线阻化剂，或采用杜邦公司的 T e d l a r 材料或胶状涂料。计划方舱用复合材料耐紫外 线寿命为 3 0年。4 6 生产工艺 方舱大板采用真空树脂输送制模工艺。采用此工 艺挥发小，由于树脂同时固化形成了整体式结构。图

10、 1 3 采用可再使用真空包的真空树脂输送制模，为获得平坦的表面，要求对两侧作车加工 该工艺的研究 工作集 中在减少工作周期 和减 少不 可再使用材料的使用量。该公司还在探索另外两种快速的省人工的灌注制 模方法。4 7 验收试验 试验 分类：有关箱体安全的试验要求通用条例；环境试验；运输试验。图 1 4 作角件、角形件和大板组装，以便作 方案验证 4 8 I S O复合材料战术方舱研制进度表 2 0 0 3年 6月 1日交付 1号方舱大板；2 0 0 3年 7月完成 1号方舱的生产；2 0 0 3年 8月 1 5日至 1 1 月 1 5日作验 收试验。5 热塑复合材料设计公司的热塑性流动成形

11、工艺 在上世纪九十年代中期，热塑复合材料设计公司 开发成功 了热 塑性流动成形工艺。5 1 工艺优点 能够生产大的、长纤维增强的复合材料塑料 件。有高的强度；可 以使用新 的或 回收 的材料；不会产生有害气 体和浸 出物；不易损坏，有高的耐冲击性能；比重低；不用维修和涂漆；回收材料可再利用，不用填埋；在美 国有大量可利用材料。一1 7 维普资讯 http:/ 2 0 0 5年 3月 美军研制 I S O复合材料战术方舱 第 4 卷第 1 期 图 1 5 用热塑性流动成形工艺生产的方舱 5 2 生产 工艺 该工艺可采用新的或 回收的聚合物材料的粒子，把粒子送入计算机控制 的联机混合系统，同时把精

12、确 数量的长纤维例如 2英寸(即 5 0 8毫米)、着色剂和其 它所需添加剂一起送入混合。可加工的聚合物的范围从 P P(聚丙烯)到 P E E K，采用的纤 维 可 以是 有机 纤 维、S 2玻 璃 纤 维 和碳 纤 维 等。该热塑性流动成形设备是一种有专利权的模压设 计的设备，可在低压下混合要发送的复合材料，可使长 增强纤维的断裂最少。复合材料流入模型，使无应力 的复合材料件有精确的体积、厚度和外形。5 3 热塑流动成形工艺适用的领域 在大型结构上应用；在轻型结构上应用；在要求用惰性材料的情况下应用；在成本极为苛刻的工程上应用；在火、烟和毒性要求严格的工程上应用；在绝热 和屏蔽 电磁波 工

13、程上应用。因此热塑流动成形工艺可以制造溜冰场地面板、船舰码头地板、桁架、接合梁、简易住房、防水胶合板代 用品、门等。5 4 复合材料方舱 热塑复合材料设计公 司为 I S O复合材料方舱制 造框架(大板由 We b c o r e 公司制造)，采用的设计有很 大的灵活性，可 以适应 以后使用要求和出现的问题。I S O复合材料方舱的结构件采用钢结构件，轻型可空 运方舱的结构件采用铝质结构件，但结构件外有一层 一1 8 一 热塑复合材料层。结构件也可以是热塑复合材料梁。复合材料方舱的设计要求是要有刚性非常好的框 架、不易损坏、重量轻、不用维修或很少维修、绝热好、制造费用低、外观漂亮，可作民用。5

14、 5 采用热塑流动成形工艺嵌入结构件 在 I S 0方舱上，底部采用 H形梁，长 2 0 英尺(6 1 米)，高 9 5 英寸(2 4 1 毫米)。采用 2英寸(5 0 8 毫米)的舌槽设计。使用的热塑性复合材料为聚丙烯和玻璃 纤维。在 2英 寸匣 式梁 四周热 塑 复 合材 料 重 1 1 0磅(5 0公斤)。采用此种流动成形工艺可使金属或非金属组件容 易嵌入复合材料 中，可 以减小或消除结构件 的腐蚀。此种设计可以使结构负载能力从梁传送到大板，并可 使板周围形成气密密封。5 6 进展情况 热塑复合材料设计公司在复合材料方舱的研制上 已取得 了很大进展，方舱框架 已作 了分析和试验。故 障影响分析和结构试验已表明，其性能超过预计值。绝热、重量和维修方面已达到设计要求，并验证了野外 维修工作。热塑性大板拉伸试验 工作接 近完成(至 2 0 0 3年 4月)。图 1 6 I S O战术方舱复合材料框架 今后该公司将研制大型箱体用的拼接梁，研制运 输装备如拖车用的梁。对复合材料作长有效期的耐紫 外线研究，作 电磁干扰屏蔽试验，并着 手拓宽 民用应用 领域。维普资讯 http:/