复合材料在机载电子设备轻量化设计中的应用

Application of Composites in Lightweight Design of Airborne Electronic Equipment

摘要

机载电子设备复杂度、集成度越来越高，面临着轻量化的难题。文章梳理碳纤维增强复合材料、玻璃纤维增强复合材料及金属基复合材料在轻量化设计中的应用现状，探讨结构轻量化方法，发现通过应用拓扑优化技术可实现支撑结构减重，采用蜂窝结构可实现结构轻量化。文章讨论增材制造、结构一体化及融合设计等轻量化制造工艺，总结轻量化设计面临的难题及解决方法，应用多学科优化设计方法解决设计过程中的矛盾问题，采用解耦技术解决设计中的耦合约束问题。最后，文章提出碳纤维复合材料功能优化、人工智能辅助优化及仿生设计等发展趋势。

Abstract

The complexity and integration of airborne electronic equipment are increasing, facing the challenge of weight reduction. The article reviews the application status of carbon fiber-reinforced composites, glass fiber-reinforced composites, and metal-matrix composites in lightweight design, explores methods for structural weight reduction, and finds that topological optimization technology can be used to reduce the weight of support structures and that honeycomb structures can achieve structural lightweighting. The article discusses lightweight manufacturing processes such as additive manufacturing, structural integration, and integrated design, summarizes the challenges and solutions in lightweight design, applies multidisciplinary optimization design methods to resolve contradictions in the design process, and uses decoupling techniques to address coupled constraints in design. Finally, the article proposes development trends such as functional optimization of carbon fiber composites, artificial intelligence-assisted optimization, and biomimetic design.

Graphical abstract

关键词

复合材料 / 轻量化 / 多学科优化 / 机载电子设备

Key words

Composites / Lightweight / Multidisciplinary optimization / Airborne electronic equipment

机载电子设备是航空器的关键组成部分，需要实现通信、导航、识别、飞行控制、监测等多种功能。随着功能需求的日益增加，设备的复杂度、集成度越来越高，质量也随之提升。质量的增加会导致飞行效率降低、机动性减弱、故障风险提高等不良效应，可影响推进效率，降低燃油效率，限制飞行性能。机载电子设备轻量化可显著提高飞机的反应速度和机动性。可见，轻量化是航空器研发的永恒主题，对装备的综合性能和服役效能有决定性影响^[1]。

复合材料因其比强度高、比模量高、可设计性强等优点，被广泛应用于机载电子设备轻量化设计中。目前，相关研究主要集中于复合材料的应用、结构优化设计、制造工艺、多学科优化及解耦方法等方面。本文系统总结复合材料在机载电子设备轻量化中的应用现状，分析其结构设计、制造工艺、多学科优化与解耦方法中的关键问题，探讨碳纤维复合材料的功能优化、人工智能辅助设计与仿生设计等研究方向，以期系统提升轻量化设计水平，为相关领域的研究与工程实践提供参考。

1 复合材料的应用现状与机理

1.1 常用复合材料类型及其增强机理

1.1.1 碳纤维增强复合材料(CFRP)

碳纤维(CF)是一种碳含量超过90%的无机纤维材料，其分子构造介于石墨和金刚石之间，呈现出混合层状的石墨结构^[2]。CF作为承载结构时，需要将其制备成CFRP。与金属材料相比，CFRP具有高强度、低密度、耐高温、耐疲劳的特点，具有较好的综合性能^[3]。CFRP一般由碳纤维和树脂基体组成，良好的性能依赖纤维/树脂界面特性，即需要增强纤维与树脂基体的黏结力，界面是载荷传递的关键，理想的界面结合能通过剪切应力将载荷从低模量树脂有效传递到高模量纤维上，避免了应力集中，提高了力学性能^[4]。数值模拟的出现可提高CFRP的成型进程^[5]，节省时间成本，促进其应用推广。因CFRP具有优良的力学特性，固常被应用于机载电子设备的外壳和支撑结构中。然而，CFRP的固有劣势在于其本征绝缘性，导致电磁屏蔽效能(EMI SE)差，其屏蔽机理主要依赖反射损耗，而缺乏吸收损耗能力^[6]。为解决此问题，研究人员构建导电网络，主要做法是将纳米碳材料作为导电添加剂加入树脂基体中，从而提高复合材料的导电率^[7-8]。含有多壁碳纳米管(MWCNT)的CFRP复合材料目前应用较多。研究表明：MWCNT加入不但提高了CFRP的EMI SE，同时也提高其抗拉强度和导热性等^[9-10]。IQBAL等^[11]提出一种由含MWCNT的CFRP复合材料制成的轻质多功能电子机箱，该机箱在3个正交方向上具有与铝制机箱相似的机械性能，但质量却减轻约25%。图1为复合材料电子机箱。SHIFA等^[12]比较纯CFRP和MWCNT-CFRP层压板的导电性，发现MWCNT-CFRP层压板的表面电阻率明显低于纯CFRP。图2为典型的MWCNT-CFRP层压板。JANG等^[13]设计一种在固化后对CFRP进行加工的工艺，以克服CFRP的低可加工性，并对振动、导热性、电磁屏蔽等方面进行研究。结果表明：复合材料的机箱性能可与铝合金相媲美，且具有质量轻的优势。

1.1.2 玻璃纤维增强复合材料(GFRP)

GFRP是以玻璃纤维(GF)为增强体，以树脂为基体，复合而成的材料，具有比强度高、比模量大、耐腐蚀、抗疲劳、透波性好、隔热保护效果好等特点，被广泛应用于航空领域^[14-16]。在机载电子领域，因GFRP优异的透波性，成为天线罩的关键材料。GFRP透波机理是电磁波在材料中的传播损耗，主要取决于介电损耗，而玻璃纤维和环氧树脂本身损耗极低。NSENGIYUMVA等^[17]使用玻璃纤维颗粒和环氧树脂制造高性能的GFRP，通过调控短切玻璃纤维的尺寸和体积分数，利用混合律有效定制了复合材料的力学和介电性能。这项研究为控制GFRP复合材料的力学和介电性能提供一种可行的策略。TALEI-FARD等^[18]使用E系列玻璃纤维、聚酯树脂和真空灌注工艺提高天线罩的弹性模量，降低介质损耗正切，节省成本。真空灌注工艺可减少孔隙率，从而降低因孔隙散射导致的介电损耗，其本质是提高材料的结构均匀性。GFRP具有较高的抗冲击性，其抗冲击性能则依赖多尺度能量耗散机制。SHEN等^[19]研究表明：增加局部厚度和引入离轴铺层可以促使冲击载荷下产生更复杂的基体开裂、分层和纤维断裂，从而吸收更多能量。张铁纯等^[20]发现，采用GFRP制备的天线结构在低速冲击载荷下具有损伤阻抗能力强、剩余强度高的特点。

1.1.3 金属基复合材料(MMCs)

MMCs是以金属及其合金为基体，与一种或几种金属或非金属增强相人工复合而成的材料。阻尼铝基复合材料便是其中的一种，其以铝合金为基体，在铝基体中引入高阻尼相(如石墨、Zn-Al合金)，在交变应力作用下，阻尼相与基体界面处发生微滑移，产生摩擦能耗散振动能量，具有减振作用。同铝合金原结构相比，阻尼铝基复合材料零件可实现20%~40%的减振^[21]。阻尼铝基复合材料可直接用于制造承受振动的结构件而不用附加其他减振措施，故可实现机载电子设备的减重^[22]。

1.2 结构轻量化设计方法

结构轻量化是将材料进行合理分布，将材料利用率最大化。通过拓扑优化可实现支撑结构的减重，应用蜂窝结构可实现结构轻量化。

1.2.1 拓扑优化的数学机理与应用

拓扑优化的核心理念在于，在预先设定的设计空间内，设定约束条件和设计目标，寻找材料的最佳分布方案。

拓扑优化常采用变密度法，其原理是引入相对密度(ρ)为0~1的假定材料。将优化目标使用ρ的显性函数表示，实现结构的拓扑优化变化，其数学模型^[23-24]为：

(1)

式(1)中：{\rho }_i为第i个单元的相对密度；C(p)为优化目标方程；Volume (Mass) constraint为体积(或质量)约束，或者其他约束；Equilibrium equation为结构平衡方程；ρ_min为单元相对密度的最小极限值，{\rho }_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}>\mathrm{0}。

拓扑优化需要借助仿真软件实现，常用软件包括ANSYS Workbench^[25]和Altair Optistruct^[26]，这两种仿真软件功能全面且支持大规模运算。通过拓扑优化分析能够有针对性地对整体结构以及具体细节进行优化设计。尤其是在产品设计的初期阶段，对于主承载结构的设计，单纯依赖经验和想象来完成零部件设计远远不够。通过生成最优拓扑结构可以明确结构在传递力学载荷或承受力学响应时的最有效路径。这种路径设计能够最大化材料的利用效率，从而实现性能达标的同时达成轻量化的目标^[27]。

图3为结构拓扑优化流程。具体流程为：建立数字模型并设置边界条件；定义优化目标、设置约束条件及设计变量；应用有限元软件进行优化计算，获取优化结果；依据该结果重建模型并进行仿真分析，判断优化结果是否可行^[28]。

高海亮^[29]在研究机载雷达底座时，采用复合材料替换铝合金，并且应用拓扑优化技术，实现了40.4%的减重。

1.2.2 蜂窝结构的力学模型及应用

蜂窝结构也称为“三明治”结构，是用黏合剂将上、下蒙皮与蜂窝芯层固化而成，具有质轻、刚度大、可靠性高的特点，广泛应用于雷达罩、天线罩等。图4为常见的蜂窝结构^[30-32]。

三明治夹心板理论是对蜂窝夹芯进行等效的一种有效方法，忽略上、下蒙皮抵抗横向剪应力的能力，则蜂窝芯层可以等效为一均质的厚度不变的正交异性层。图5为正六边形蜂窝芯单元模型。常见的正六边形蜂窝等效弹性参数^[33-35]公式如式(2)所示。

\left\{\begin{array}{l}{E}_x=E_y=\frac{\mathrm{4}}{\sqrt[]{\mathrm{3}}}{\left(\frac{t}{l}\right)}^{\mathrm{3}}E\\ G_{xy}=\frac{\sqrt[]{\mathrm{3}}}{\mathrm{2}}R{\left(\frac{t}{l}\right)}^{\mathrm{3}}E\\ G_{xz}=\frac{\mathrm{1}}{\sqrt[]{\mathrm{3}}}R\left(\frac{t}{l}\right)G\\ G_{yz}=\frac{\sqrt[]{\mathrm{3}}}{\mathrm{2}}R\left(\frac{t}{l}\right)G\\ \nu =\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}}\end{array}\right.(2)

图5和式(2)中：E、G为夹芯材料的工程参数，Pa；ν为泊松比；t、l分别为蜂窝胞元壁板的长度和厚度，m；R为工艺参数，取值为0.4~0.6。

邢瑞瑶^[36]利用该原理，优化了面板材料和芯层胞元尺寸，设计了以超高分子量聚乙烯和石英纤维复合材料为面板(蒙皮)、芳纶纸蜂窝为芯层的夹层结构天线罩。经测试，该天线罩具有较好的力学和透波性能。汪艳金等^[37]对蜂窝进行预成型，再将蜂窝、辐射体和蒙皮进行共固化，制作了低变形、高质量的直升机用共形天线。

1.3 轻量化制造工艺实现

轻量化制造工艺是通过增材、结构一体化、融合设计等方法，在保证产品性能的前提下减少材料用量，降低结构冗余，提升功能集成度，从而实现轻量化目标。

1.3.1 增材制造技术

增材制造又称3D打印，按照三维模型，通过不同加工头将材料精准堆叠成型，具有快速、省材、灵活等优点。CFRP复合材料常用作航空轻量化材料，可由增材制造方法实现设计的灵活性^[38]。常用的方法包括熔融沉积成形(FDM)、数字光处理成形(DLP)和立体光固化成形(SLA)等。

1.3.2 结构一体化设计

将由多结构组成的部件设计为单一零件，有助于提升强度并减轻质量。机载雷达的质量主要来源于承载和散热结构，因此结构一体化设计是实现雷达减重的有效途径。李英杰等^[39]提出承载与散热结构的一体化设计方法，并开展拓扑优化，对模型进行重新建模并进行点阵设计，应用3D打印方法制造一种具有强度高、质量轻、散热效果好的风道与承载结构一体化、高度集成的雷达。

1.3.3 融合设计

融合设计制造是将不同类型的材料融合形成一个零件。李延伟等^[40]提出一种复合材料与金属材料相结合的新型轻量化设计方法，利用更低密度、更低线膨胀系数的碳纤维复合材料作为主支撑结构的成型材料，钛合金作为对外接口材料，并以质量最轻为目标、基频为约束进行参数优化设计，最后采用预浸料制造与铺放方法获得更高轻量化、更优尺寸稳定性的主支撑结构。王飞等^[41]研究复合材料在军用电子装备领域的应用情况。将安装支架设计为部分整体成型结构与分体铆接结构相结合的形式，主支撑结构则采用整体模压成型。连接位置采用铆接方式。这种结构设计分块合理，工艺相对简单，成本较低。

1.4 多学科优化与解耦方法

1.4.1 多学科优化设计方法

航空工程涵盖空气动力学、稳定性、控制、结构分析、材料、推进系统、航空电子等多个学科。多学科优化在飞机设计中取得显著进展^[42]。天线罩设计必须综合考虑气动、强度、透波性等多方面因素，因而必须开展多学科协调设计。然而，在设计过程中存在诸多矛盾。例如，机载天线罩的长细比大虽然有利于气动性能，但不利于电性能；而质量轻虽有助于减轻结构负担，但可能不利于实现高强度。

乔玉等^[43]提出一种复合材料天线罩的多学科优化方法。该方法以电性能为优化目标，以力学性能为约束条件，建立了优化数学模型，设计了典型算例进行验证。结果表明：在确保天线罩刚度和强度的前提下，该方法能够显著提高最低透波系数。数学模型为：

\begin{array}{c}G\left(X\right)={\int }_{\Lambda }u\left(f\right){\int }_{\Theta }\nu \left(\theta \right){\displaystyle \sum _{m=\mathrm{1}}^M}\left[{\omega }_m{P}_{\mathrm{m}}\left(X,\theta ,f\right)\right]\mathrm{d}\theta \mathrm{d}f\\ \mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}\left(\mathrm{o}\mathrm{r}\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}\right)\left\{G\left(X\right)\right\}\\ \mathrm{s}.\mathrm{t}\left\{\begin{array}{l}{L}_m\le P_m\left(X,\theta ,f\right)\le U_m,m=\mathrm{1},\mathrm{2},\mathrm{3}\cdots M\\ L_n^{\text{'}}\le Q_n\left(X,\theta ,f\right)\le U_n^{\text{'}},n=\mathrm{1},\mathrm{2},\mathrm{3}\cdots N\\ X\in D_x,\theta \in \Theta ,f\in \Lambda \end{array}\right.\end{array}(3)

式(3)中：G(X)为优化目标函数；u(f)、v(θ)分别为系统频带和扫描特性决定的权因子；M、N分别为天线罩待优化电性能和力学性能约束参数数目；ω_m 为第m个电性能参数的权重系数；P_m (X，θ，f)为第m个电性能参数；Q_n (X，θ，f)为第n个力学性能参数；X为材料、层数、层厚等主要设计变量(矢量)；θ为天线罩扫描角，rad；f为工作频率，Hz；L_m、U_m、L'_n、U'_n 分别为由设计指标确定的常数；D_x 、Θ、Λ分别为X、θ、f的取值空间。

另一种多学科优化策略是将多学科优化问题转换为单学科优化问题。程阳等^[44]在研究复合材料机载天线问题时将对电性能的设计要求转换到设计变量厚度中，再进行尺寸优化，达到轻量化的目的。其优化流程为：先进行电性能优化，以透波率大于85%为电性能设计目标，获得芯层、蒙皮厚度范围；然后以天线罩质量最小为目标，以刚度、强度为约束条件，以芯层、蒙皮厚度尺寸为变量，利用Hyperwork软件进行迭代计算，质量降低42.2%。王宗辉等^[45]采用类似的策略，先进行气动性能的计算与外形设计，然后协同进行结构强度、刚度设计、电磁透波设计。

1.4.2 耦合约束的解耦方法

解耦方法在设计领域早已得到应用。机载电子设备需要同时满足质量轻和散热好的要求，但在设计过程中，这两者通常是耦合约束。董伟等^[46]在机箱设计中将用于支撑的零部件由铝合金6061替换为聚醚醚酮，这样既保证了整机的散热效果不降低，又减轻了质量，成功实现散热设计与轻量化设计的解耦。

2 机载电子设备轻量化发展趋势

2.1 碳纤维复合材料的功能优化

目前，碳纤维复合材料应用于机载电子设备时面临的主要问题是其导电性差，导致电屏蔽性能较低。因此，需要深入研究相关工艺，制造出具有较高电磁屏蔽能力的碳纤维复合材料，在确保电磁屏蔽效果的同时实现减重目标。杨春霞等^[47]对复合材料表面金属化进行研究，提高了材料的导电性。该研究还对模具设计、铺层设计以及金属预埋件的精确定位等技术进行详细介绍，最终制造出满足电磁屏蔽要求的机箱，减重约30%。然而，该方法虽然实现了电磁屏蔽和减重的目标，但工艺复杂且成本较高，不适用于大批量工程应用。因此，应进一步研究改进工艺及降低成本的方法。

2.2 人工智能辅助设计

图6为复合材料研究中人工智能应用步骤，主要包括数据准备、模型训练和模型评估3个步骤^[48]。在航空领域，可借助人工智能优化算法开展轻量化设计。AKÇAY等^[49]在飞机机头起落架叉形部件的形状优化过程中采用遗传算法和蒲公英优化算法，成功获得最佳尺寸并达到良好的减重效果。该方法具有可移植性，可用于机载电子设备中复合材料的优化设计。

2.3 仿生设计

生物在进化过程中形成了既轻巧又坚固的复杂设计和材料，使其能够有效适应环境，为轻量化设计提供了丰富的思路。KENNY等^[50]介绍轻量化生物设计工具箱，这是一个基于生物物种设计属性开发轻量化结构的模块化列表。利用该工具箱分析和讨论一些具有代表性的轻量化实例，这些实例可用于制造工程零部件。LI等^[51]将结构仿生学与结构优化相结合，采用增材制造技术设计并制造广角极光成像仪的垂直支架，仿生优化结构的质量减少23%。这项研究表明，结构仿生学与结构优化的结合为支撑结构设计提供了强大的工具。在工程实践中，可尝试将仿生设计应用于机载电子设备，同时注重成功案例和方法的积累，逐步形成适用于机载电子设备的轻量化案例库和方法库，为其轻量化设计奠定基础。

3 结论

复合材料在机载电子设备轻量化中的应用，已从“性能验证”阶段进入“机理深化”阶段。核心突破点包括：CFRP的界面载荷传递与多功能协同机理、GFRP的透波-力学协同机理以及MMCs的阻尼能量耗散机理。机载电子设备轻量化设计研究主要集中在复合材料的应用、结构轻量化、制造工艺轻量化、多学科问题的寻优以及耦合约束问题的解耦等。多学科优化与解耦技术是轻量化设计的关键保障，需综合考虑“气动-结构-电磁-热学”等多学科的综合效应，以避免单一学科优化导致的性能失衡。未来，随着新材料和新技术的应用以及智能化设计方法和仿生设计技术的发展，机载电子设备轻量化设计中复合材料的应用将朝着更高效、更可靠、更智能的方向发展。

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