超长复合材料应变能杆件连续自动化成型技术及应用

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1、钐论坛FORUM超长复合材料应变能杆件连续自动化成型技术及应用TechnologyandApplicationofContinuousAutomatedMoldingforLongCompositesStrainEnergyRod南京航空航天大学材料科学与技术学院齐俊伟肖军王跃全k。≮采用先进复合材料制造的应变能杆依靠收拢储存的应变能可自动伸展形成可起支撑作用的超长构件，这种构件具有收拢体积小和展开刚度大的优点，便于航天器发射时携44航空制造技术·2013年第15期复合材料构件整体连续成型技术不仅可以完成应变能杆的制造

2、，而且可以用于制造卫星和飞船中的桁条，以及飞机的地板梁和机身机翼的长桁等复合材料型材结构。从而提高生产效率，降低成本，保证产品质量的稳定性。带。特别是卫星天线和星际探测器的太阳帆尺寸要求越来越大，复合材料应变能杆因其突出优势在这些超大展开部件上有着广泛的应用前景。目前，单根应变能杆的长度已达30多米，未来将更长，这就对其制造技术提出更高的要求，复合材料连续自动化成型技术将成为其工程应用的重要的解决方案之一。随着人类探索宇宙深度的增加，卫星、飞船和星际探测器等航天器的天线尺寸要求越来越大。此外，太阳帆(光帆)已被视为进行

3、深空探测和星际探测的理想推进机构。太阳帆是以太阳的辐射压做为探测器的推进力，由于辐射压非常小，所以要求太阳帆的面积非常大，大型太阳帆的面积要求10000多m2。航天器的天线结构和太阳帆在发射到预定轨道之前是收紧在一个较小容器中，等发射到预定轨道后再进行展开。早期的卫星天线是采用机械机构进行展开的，结构复杂，重量较大。20世纪80年代以来，美国、欧洲、日本等相继开始研究利用薄膜技术和复合材料结构来实现可收拢和展开的大型化和轻量化空间结构。20世纪90年代，欧洲航天局(ESA)和德国宇航中心(DLR)提出采用碳纤维增强复合

4、材料应变能杆作为桅杆，对角撑开太阳帆薄膜的太阳帆总体方案，并进行了20m×20m太阳帆的地面展开试验(图1)。复合材料应变能杆是由两个Q形复合材料应变能构件(图2(a))胶接而成，可以在外力作用下压扁并收卷成特定的形状(图2(b))，在自由状态下时依靠收卷变形储存的应变能，可展开成杆结构(图2(c))。近年来，随着波音787、空客350Auto。。t。aMan晌。t。。。k。nno岫，。‰。叫ites复合材料自动化嗣造技术等大型复合材料结构的航空器陆续投入商业运行，标志着先进复合材料结构研制日益走向大型化和经济型——从

5、力学性能的最大化转向通过低成本技术来获得经济上可承受的结构，这一过程的转变与先进复合材料的自动化制造技术的发展是有着密切的关系。预浸料自动成型技术，包括自动铺带技术(ATE)和自动纤维铺放技术(AFP)和先进拉挤(ADP)等为核心的自动化制造技术成为发展的重要方向之一。目前发达国家在航空航天复合材料制造中广泛采用的自动化技术，采用预浸料和数字化设计与自动化制造超大、低成本先进复合材料构件，同时，促进了复合材料图1太阳帆地面展开试验●■-一(“)n肜复合材料应变能构什结构的产量和产品质量的提高，改善了工艺环境，实现绿色制

6、造。应变能杆的特点复合材料应变能杆不同于其它复合材料型材构件，有其自身显著的特点：(1)超长：应变能杆主要用于大型卫星天线和太阳帆的支撑结构，这就决定了其长度非常大的特点。ESA和DLR的研究表明质量为110kg的飞船需要125m×125m的太阳帆作为推进系统(假设太阳帆密度为89／m2)，若采用4根应变能杆对角支撑的方案展开，则单根应变能杆的长度接近90m，远远超过传统的航天器和飞机的长桁等型材结构。这就要求更大成型设备或新的成型方法。(2)超薄：为保障应变能杆的收拢和展开，杆壁厚度要求不超过0．5mm；并且为满足应

7、变能杆的抗扭、抗弯和基频的设计要求，杆壁必须具有±d。铺层和连续0。铺层(不允许间断和搭接)。这就对预浸料厚度要求更加苛刻，而且对制备预lcl腱圩后状态图2复合材料应变能杆浸料的坯材要求更高。(3)超高直线度：由于应变能杆长度增加给制件的直线度带来更高的要求，从而保障两半片应变能杆制件粘接的吻合度和最终应变杆的总体直线度。(4)超精确外形：由于应变能杆是由两半片胶接制成，为保障两半片胶接面的贴合紧密，胶接后没有畸变，必须要求固化后的复合材料应变能制件的外形及尺寸具有高度一致性。这就对预浸料的铺放角度和铺放张力提出了更高

8、的要求。复合材料超长结构连续自动化成型技术目前，复合材料行业使用的成型设备主要包括热压罐、模压机和拉挤设备。(1)热压罐是具有整体加热系统的大型压力容器，具有压力场均匀、温度场均匀、加压灵活、适合多种材料及多种形状产品的生产等特点，但制件尺寸受到热压罐尺寸的限制。国外已研制的应变能构件的长度达到30m，远远超过现今国内最大热压罐尺