航天器复合材料桁架结构的工程进展

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1、徕谑2012年8月第4期航天器复合材料桁架结构的工程进展马立1徐志红’陈维强1王洋1匮圈(1．北京卫星制造厂，北京100190；2．中国空间技术研究院，北京1O0094)摘要：介绍了中国空间技术研究院在航天器复合材料桁架结构方面的研究现状及工程进展。针对桁架结构的接头和杆件，分别阐述了设计原则、材料选择和制造工艺。最后，展望了桁架结构的应用前景。关键词：复合材料；桁架结构；接头；杆件；设计；制造EngiIleerillgProgressinCompositeMaterial1hssofSpacecraR

2、sMaLilXu蹦hon91Ch髓Weiqian91w蛐gY弛1区丑亘蚤翌(1．BeijiI培Sp∞ecm佻CAST'Beijillg100190；2．111stituteofSpacec雠SystI咖．Engillce血gCAST'Beijil玛l00094)Abstract：Thepaperdem伽鼬ratesR＆Dsi仉ationandengineeringprog聆ssincompositem咖rial协lssofChinaAcad锄yofspaceTech∞logy(CAST)’sSpacea

3、陷ns．RegardiI玛to觚ssjoint距drod'desi弘p血ciple，mtefialselec吐0n锄dprocessareputf0椰咖rd．ApplicationprospectoftrIlssh嬲beenmade．1【eywor凼：c唧ositematcrial；mlss；joint；rod；design；m龇mf配ture1引言桁架结构由若干杆件及连接杆件的接头以一定构型组合而成。桁架结构往往用来构造较大跨度、较高刚度的空间构架。因为应用桁架结构可以用最少的材料及简易的外形获得高强

4、度、高刚性的受力载体，并且桁架结构形式简单、拆装运输方便快捷，被广泛应用于国民经济的各行各业，如：桥梁、建筑、航空、航天等领域。桁架结构具有优良的空间性能，特别适合在大跨度甚至超大跨结构中应用；桁架结构是高次超静定结构，具有承受多向载荷的性能，其刚度和整体性较好，能有效地承受集中荷载、非对称荷载以及各种动力荷载。如果使用复合材料制造桁架，经过结构设计可使热膨胀系数接近于零，这对于保持结构的稳定性非常有利。在航天领域，中国空间技术研究院已将复合材料桁架结构应用于航天器的主结构、高精度刚性支撑结构、空间可展

5、开结构和机构，以及大跨度的刚性连接结构。桁架结构已从简单的平面桁架(如图1所示)发展到复杂的空间桁架(如图2所示)。2桁架接头2．1设计作者简介：马立(1973一)，研究员，复合材料专业；研究方向：航天罂复合材料结构。收稿日期：2012-07-206图2空间桁架]～桁架结构中，接头的作用是把两根或更多的杆件连接在一起，或把杆件与其它结构相连，以便在杆件之间或杆件与其它结构之间传递载荷。设计桁架接头时，首先要知道桁架杆件的一些基本特征，如极限强度、弹性模量、线膨胀系数、最大延伸率等；其次，要考虑载荷的大小

6、、工作环境条件等因素。桁架接头的基本设计原则是：a．设计为由整个连接区域承受载荷；b．设计为使载荷主要引起剪应力。此外，接头的设计还应考虑工艺实现的可能性及后续装配的方便性。接头部位的受力形式复杂，单纯的计算分析可能会有一定的误差，试验是对设计的进一步验证。可通过单独的静力试验考核桁架接头的强度性能和工艺性能。2．2制造2．2．1材料目前，航天器复合材料桁架接头常用的材料有碳纤维复合材料和芳纶纤维复合材料。碳纤维复合材料的主要优点是：比模量高、比强度高、热稳定性好、热导率低，具有良好的抗疲劳性、振动阻尼

7、性、抗腐蚀性和耐磨性；缺点是：性脆、抗冲击性能较低、成本较高。芳纶纤维复合材料的主要优点是：很高的比强度，较高的抗冲击性、抗疲劳性，良好的热稳定性、隔热性、阻尼性、绝缘性和透波性；缺点是：压缩强度较低，模量不高，有吸湿性，机械加工性能较差。桁架接头一般按照强度设计原则进行设计，因此，多数情况下接头采用高强系列纤维，除非对结构的刚度有特殊要求才采用高模系列纤维或高强与高模系列纤维混杂使用。2．2．2工艺按照接头的设计要求(如：结构形式、尺寸、使用环境等)，可以选择不同的成型工艺制造复合材料接头。目前，成型

8、桁架接头的主要工艺方法有：铺层一模压工艺【¨、铺层一热压罐工艺、缠绕一热压罐工剖21、自动铺丝工艺【31、三维编织-R撇工艺、三维机织—RTM工艺、缝合一R1M工艺、热胀软模工艺等。a．铺层一模压工艺在芯模表面用织物预浸料或单向预浸料(也称为无纬布)一层层地铺叠而成，也可以两种预浸料混用，如：表层使用织物预浸料，内部根据受力要求采用单向预浸料按一定的铺层方式铺叠。铺叠完成后，装入金属阴模，在压机上加温、加压固化，模具温度降至一定温度后，脱模