基于碳纤维复合材料的低温贮箱支撑杆设计与仿真

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1、第23卷第1期2017年2月载人航天MannedSpacenightV01．23No．1Feb．2017基于碳纤维复合材料的低温贮箱支撑杆设计与仿真张展智1，陈亮2，郑红飞2，庄方方1，闫指江1(1．中国运载火箭技术研究院研究发展中心，北京100076；2．航天材料及工艺研究所，北京100076)摘要：针对碳纤维复合材料在运载火箭低温贮箱支撑杆中的应用问题．基于碳纤维复合材料单向板力学性能测试结果，对低温贮箱支撑杆的材料和铺层进行了设计，并通过静力学仿真分析对设计方案进行了验证，结果表明：在298K和77K温度下，

2、粥00单向板的力学性能均优于r1700单向板，更适于制造低温贮箱支撑杆：以9。为主角度铺设72层，11800增强纤维的低温贮箱支撑杆，其298K和77K温度下的拉伸强度和压缩强度可以很好地满足运载火箭低温贮箱支撑杆的设计强度要求。关键词：低温；支撑杆；碳纤维复合材料；性能测试；静力学分析中图分类号：v414．8文献标识码：A文章编号：1674．5825(2017)0l旬061旬4DesignandStaticSimlllationAnalysisofCryogeIlicTankStrutBasedonCarbonF

3、iberReinforcedCompositeszHANGzhanzhil，CHENⅡan92，zHENGHon毋i2，zHUANGFaIlg‰91，YANz11iji肌91(1．ChinaAcademyofLaunchVehicleTechn0109yResearch&DevelopmentCentre，Beijing100076，China；2．AerospaceResearchInstituteofMaterials＆PmcessingTechnology，Beijing100076，China)Abstra

4、ct：Fortheapplicationofcarbon胁errei山rcedeompositesincryogenictankstmtsofthe1aunchvehicle，thereinforcingmaterialandthelayersofcryogenictankstmtsweredesignedbasedonthemechanicalperfbHnancetestingresultsofaseriesofunidirectionall锄inates．Thestaticsimu—lationanalysi

5、svalidatedtllat：atthetemperatureofboth298Kand77K，themechanicalperfonll—anceofT800unidirectionallaminateswassuDeriortothatoftheT700unidirectionall砌inatesandthusmoreappropriatetomanufacturetllecryogenictankstruts；thetensilesn．en昏handthecompres—sionstrengthofthec

6、ryogenictankstmt，designedwith72layerSofr11800曲ersinmainangleof9。，couldsumcientlvmeetthedesignrequirementsofthelaunchvehicle，atboth298Kand77KKeywords：cryogenic；stmt；carbonfiberreinforcedcomposites；ped’o瑚ancetest；staticanalysis1引言复合材料支撑结构被越来越多地用于空间承力结构，以满足空间工程苛刻

7、的减重要求[1。3]。如美国x．33验证机上连接发动机与两个液氢贮箱的碳纤维／环氧复合材料多功能推力架结构，连接液氧贮箱和液氢贮箱的IM7／APC2热成型架结构等，通过金属接头连接在两个钛合金端框上。有效承载能力达到了200t左右HJ。由于设计能力及工艺水平的限制，目前我国运载火箭箱间段全部采用金属支撑结构。某型在研运载火箭拟采用液氢／液氧作为推进剂，箱间段拟采用复合材料支撑杆以利于减重和降低漏热。将复合材料应用于低温贮箱的支撑结构，必须重点考核材料在低温下的力学性能。赵福祥等比较了几种纤维复合材料单向板的性能。指

8、出碳纤维复合材料在低温下具有最佳的性能表现，但还有必要对碳纤维复合材料进行试验研究[5]。本文采用自研低温树脂制作了碳纤维复合材料单向板，测试其在298K和77K温度下的力学收稿日期：2015．10．22；修回日期：2017_01．09基金项目：载人航天预先研究项目(060301)第一作者：张展智，男，博士，工程师，研究方向为航天运输系统总体设计。E-mai