低老本、高恶果地制造航天用CFRP Anisogrid结构

栏目分类

热点资讯

国际军情你的位置：军事瞭望网 > 国际军情 > 低老本、高恶果地制造航天用CFRP Anisogrid结构

低老本、高恶果地制造航天用CFRP Anisogrid结构

发布日期：2024-11-11 13:03 点击次数：65

CIRA领受取得专利的平行缠绕工艺以及干纤维、硅胶模具和树脂灌输模式制造了轻量化的重载天际部件，减少了东谈主工劳动。

用机器东谈主缠绕干碳纤维的模式制造的中型卫星用中心管和 Vega-C 2/3级间，传说是欧洲航天局（ESA）任务中第一个树脂灌输的放射器结构（图片来源：CIRA 和 ESA）

碳纤维增强团聚物（CFRP）的Anisogrid网壳是最灵验的联想之一，能最猛进度地收缩航天器重载结构的质地。它们由相交环和螺旋肋（有或莫得薄的外蒙皮）的规定图案组成，提供了面内（膜）和面外（盘曲）刚度，关于失足在高压载荷下产生屈曲至关迫切。比较之下，均匀的多层壳结构只提供面内刚度，而盘曲性能则较差。这等于为什么这种壳体频繁要用荒谬的结构元件（如纵梁）来撑抓，或使用夹层结构来擢升刚度，而这又增多了分量、复杂性和老本。

自1980年代以来，CFRP的Anisogrids结构一直是领受湿纤维缠绕工艺来制造，而自1990年代以来，一直领受自动化的预浸料铺放时期。关联词，湿法缠绕，这种领受液态树脂的灵通性工艺却阑珊工艺收尾，不成精确收尾预浸料中的树脂含量，同期，铺放预浸带还会在节点处产生堆积和纤维变形，需要造谣的螺旋图案在相邻的环之间移动。一种处罚决策是割断环与采取节点之间的丝束（NLR在ACASIAS神志中使用后者来生成正交网格），但这还会中断载荷旅途，攻讦强度并增多质地。

在往日的20年里，Centro Italiano Ricerche Aerospaziali（以下简称CIRA，意大利卡普阿）优化了其CFRP网格结构的联想和制造模式，包括对预浸料和湿法缠绕进行了优化，以及阅兵了联想分析模式。到2009年，该公司的平行缠绕时期已取得专利，该时期使用干纤维进行缠绕，然后灌输树脂，赶走可取得一个交汇的Anisogrid结构而无需切割一语气纤维丝束，也无需领受造谣的螺旋图案。

CIRA诱惑的这项工艺精确、极为高效且可扩展，适于造成极薄到极厚的肋（横截面为4-400mm2）。Avio（意大利 Colleferro）已领受这项时期为2022年首飞的Vega-C天际放射器制造了2/3级间。自此，CIRA进一步考据了其模式的可扩展性，坐蓐了用于卫星的大型中心管和长的仪器吊杆，以及用于放射器的锥形载荷适配器。

平行缠绕

“往日几十年来已推出了制造交错网格结构的诸多模式。”CIRA的复合材料原型实验室厚爱东谈主Felice De Nicola 博士说谈，“咱们但愿坐蓐出一种一体化的、肤浅且低老本的居品。咱们还思通过使用树脂灌输来处罚湿法缠绕和预浸料带来的问题，这是一种绝顶肤浅的时期。”

CIRA 取得专利的平行缠绕工艺是愚弄机器东谈主缠绕来创建螺旋肋，同期，用纱架编结出环肋（以及用于清除的更宽的“黑环”）而无需切割丝束或使用造谣的螺旋图案，所取得的Anisogrids要比交流结构的复合材料的夹层或蒙皮-纵梁结构至少收缩了20%的质地且抗压强度更高（图片来源：CIRA 和 ESA）

CIRA领受机器东谈主单位来创建Anisogrid的交汇环和螺旋肋。结合一种被称作“平行缠绕”的专利模式，该机器东谈主单位厚爱引申阅兵的纤维缠绕。“咱们围绕销引申螺旋缠绕，同期从纱架到旋转芯轴的侧面应用环向缠绕。”De Nicola 先容说，“因此，领受一种极为肤浅的成立就能交汇干纤维的肋，这不错保证纤维的直线度，而且依然一个相当快的过程。”

这还幸免了切割纤维丝束或使用造谣的螺旋肋图案。“要是你唯唯一个千里积头，就像在纤维缠绕中的那样，那么，你就必须有荒谬的螺旋线才能在相邻的环状旅途之间移动。”他解释说，“可是，由于咱们是通过单独的机制来缠绕环，因而幸免了这个问题。”

硅胶板、缠绕用金属销

De Nicola默示，在掩盖有硅胶“毯”或板的金属芯轴上进行缠绕，无需摈弃数百个三角形或六边形的Teflon（特氟龙）或硅胶嵌件，这是其他小组提议的一种模式。“比较之下，咱们领受久经锻练的时期，随机肤浅地坐蓐出可类似使用的板。咱们在机加工的铝模上使用液态硅胶进行浇铸，由此取得的体式提供了一个带有凹槽的板状模具，可将干纤维放入其中。” 他说谈。

CIRA使用液态硅胶浇铸来制造包裹在铝芯轴上的板状模具（上），它提供了凹槽，可将干纤维缠绕到凹槽中，从而制造出此图所示的天线吊杆。愚弄板两头芯轴中的金属销，不错终了螺旋缠绕而无需切割纤维（图片来源：CIRA 和 ESA）

最近，该小组通过3D打印微型的模块化元件，幸免了使用大型的机加工模具。“这么，模具会绝顶肤浅——它仅仅圆柱体的一个扇形部分。”De Nicola 说谈，“然后，咱们锻造多个扇形部分，并使用交流的液体硅胶将它们清除起来，造成一个圆筒状的板状模具。”他承认，关于制造一个中型结构而言，这种模式需要约莫100kg的硅胶，“天然并未低廉，但与制造和摈弃数百个三角形的硅胶嵌件比较，它更具老本效益。”

CIRA在螺旋缠绕中使用销亦然对现存时期的适当。“恒久以来，销一直被用于纤维缠绕，比如，不错在不切割纤维的情况下围绕灵通式结构进行缠绕。”De Nicola 说谈，“在咱们的案例中，它们仅仅集结在肋所在之处。因此，咱们只在硅胶板驾御旯旮的芯轴上用了小数的销。天然这很肤浅，但照实为机器东谈主的头部带来了可操作性，从而随机围绕销进行缠绕。一朝缠绕收尾，灌输和固化过程也已完成，咱们只需从芯轴上拧下销即可。”

材料和树脂灌输

然后，再将所取得的干的预成型件放入真空袋中并灌输树脂。“频繁，咱们使用的是中等模量的碳纤维，可是，针对对刚度和热扩张性要求严格的吊臂等应用而言，咱们也使用高模量的碳纤维。”De Nicola 说谈。碳纤维的供应商包括：东丽（日本东京）、赫氏（好意思国康涅狄格州斯坦福德）和帝东谈主（日本东京）。他默示，干纤维要比预浸料更脆弱，因此，缠绕系统必须要妥善管理好纤维，在应用过程中保抓好张力而不会带来损坏。

至于树脂，CIRA 的接头员和材料群众 Gionvangiuseppe Giusto 博士解释说，需要充足低的粘度（如约莫200 厘泊）才能透顶渗入纤维，尤其是在肋交叉的节点处。“频繁，咱们更心爱使用环氧树脂系统，但关于特定的应用，比如使用温度限度在-160-160 ℃的卫星吊杆，咱们使用了氰酸酯树脂。”他说谈。CIRA还使用了来自亨斯迈（好意思国德克萨斯州伍德兰兹）、Syensqo（前身是索尔维，英国希诺）和赫氏的树脂。“咱们检讨了一系列的树脂，然后凭据玻璃化迁移温度和工艺参数来进行遴荐。频繁，咱们是从已稳妥天际应用要求的树脂入辖下手进行遴荐，但在某些应用中，咱们提议使用一种主要用于汽车的环氧树脂。”Giusto 说谈。

在灌输过程中，一种圭臬的分拨介质促进了树脂在通盘预成型件中的流动。“咱们使用Airtech（好意思国加利福尼亚州亨廷顿海滩）市售的团聚物网格居品，它频繁是为高温应用而配制的。”Giusto先容说。

CIRA的材料和工艺群众Paola Spena默示：“树脂在纤维体积含量较低的节点之间流动得绝顶快，然后在节点处流速变缓，这里需要用多一丝的时期来填充。天然如斯，在流动介质的匡助下，仍不错看出树脂灌输要比树脂传递模塑（RTM）成型更有上风。在RTM工艺中，需要靠压力来股东树脂上前水平流动浸润预成型件，关于大型部件而言，这可能要破耗很长的时期。为了裁减时期，在RTM工艺中，频繁会使用多个树脂浇注口。而在真空援救的灌输中，流动介质不仅会加速树脂流动浸润预成型件，还有助于树脂沿Z向或厚度标的渗入，因此，咱们只使用了一个树脂浇注口。”

“咱们将浇注口设在结构的底部，而况知谈垂直灌输对咱们来说是最肤浅的。”Giusto 补充谈，“逆重力的标的进行灌输有助于排斥空气、蒸发物慈详泡，不然，这些物资可能会淹留。流过肋的流体时尚简直还能迫临起来，且流体的行进绝顶匀速，因此，咱们不再使用流动模子。愚弄散播介质，树脂会赶快渗入肋，即使领受了相对较厚的蒙皮亦然如斯，比如Vega-C级间。”

“对咱们来说，灌输这些Anisogrids绝顶容易，即使结构的高度是3-4m。”Spena说谈。比如，灌输直径2m、高2.5m的卫星中心管，约莫需要1h。针对该工艺，咱们对预成型件进行了一些优化。昭着，灌输流在通过2mm厚的蒙皮中纤维量较高之处时流速稍慢一些，但也会产生绝顶好的压实层压结构。”

CIRA准备了一个锥形适配器，用于在灌输树脂后进行加热炉固化（图片来源：CIRA 和 ESA）

灌输完成后，CIRA会依据树脂和部件的要求使用热压罐或加热炉来进行固化。“关于吊杆和卫星中心管结构，咱们领受了非热压罐（OOA）固化模式。”De Nicola 说谈，“咱们的思法是，开脱热压罐，领受更具老本效益的工艺。咱们沿肋和节点区域取得了规定的截面而莫得变形。”

这关于证据注解CIRA的模式照实不错坐蓐出高性能的结构同期确保肤浅性长短常迫切的。他默示：“因为咱们一直在寻求恶果——不仅在质地点面，还在历程方面。咱们确信，Vega-C 级间是欧洲航天局神志中第一个通过灌输树脂制成的重载放射器结构。”

更低的纤维体积含量和分量，更高的抗压强度

CIRA 的模式提供了带有交汇肋的圆善预成型件，而肋中的纤维体积含量要低于传统航天层压结构中的纤维体积含量。“与更圭臬的50%以上的纤维体积含量比较，咱们终明晰34%-40%的纤维体积含量。”CIRA的接头员兼该时期的主要联想工程师 Giovanni Totaro 博士说谈，“咱们的纤维体积含量较低，因而允许使用更多的树脂，从而擢升特定的压缩性能。同期，咱们的质地密度约为1400kg/m3，而圭臬结构的质地密度是1600kg/m3。污点是，由于纤维体积含量莫得最大化，因此不成取得最大的刚度。但咱们照实最猛进度地擢升了比抗压强度，这有助于咱们在压缩载荷下终了最好结构。”

“这强调了咱们的模式在对强度和屈曲要求严格的应用中是灵验的。”Totaro 说谈，“此外，在碳纤维主导的纵朝上，Anisogrid的单向肋展现出极低的热扩张统统（CTE），这为在顶点热条款下要求保抓尺寸雄厚的应用（如天线吊杆）带来了上风。”

“咱们制造的Anisogrids是圆柱体和圆锥体的，承受重载时受压，因此其联想要应承屈曲要求。”De Nicola说谈，“关于透顶由刚度主导的联想，咱们的Anisogrid结构仍然具有竞争力，但可能不是最灵验的联想。”天然如斯，Totaro指出，关于雷同的结构，与使用蒙皮-纵梁或夹层结构制成的复合材料结构比较，CIRA还收缩了至少20%的质地

更高效地优化Anisogrid

CIRA不仅诱惑了一种制造Anisogrid的更高效模式，还诱惑了一种更高效的联想优化模式。在Totaro的指导下，CIRA起首接头了局部面内屈曲的具体模子。“比如，这发生在圆锥形结构的较泰半径中。传统的面外屈曲发生在横向或径向。面外屈曲已得到了描写，但面内屈曲仅仅用一种简化的模式来描写。因此，咱们诱惑并考据了更精确的面内模子，它提供了结构恶果更高的处罚决策。”他解释谈。

最终，他们还终明晰更高效的举座联想历程。“Anisogrid结构不错使用庸俗的联想树立，咱们需要为特定体式（如圆柱体或圆锥体）接头通盘的网格树立，并为每一种体式信托肋的最好横截面，以最猛进度地收缩网格质地而不产生局部屈曲。”Totaro 说谈，“咱们还必须应承举座屈曲要求以及举座的结构刚度和强度要求。”最终，该联想过程包括3个主要阶段。

1. 参数接头。针对圆柱体或圆锥体的每一种可能的联想树立是由一定数目的、阻隔规定的环和螺旋肋来界说的，同期也界说了螺旋角，这是基本的联想变量。环和螺旋肋的厚度与宽度对每一种树立作了进一步的表征。

“咱们春联想树立进行了某种参数化的接头，关于每一种树立，咱们齐会信托最小的质地选项。”Totaro 说谈，“基本上，咱们开展一项大型的参数化接头来信托通盘联想空间。因为在这个阶段，咱们处理的不是有限元模子，而仅仅方程和基于梯度的优化算法，是以咱们不错在几分钟内取得可能树立的举座情况。”

该分析领受的是Matlab Optimization Toolbox 软件（MathWorks，好意思国马萨诸塞州纳蒂克）中的管制最小化步履，指标是最猛进度地收缩网格壳的质地。管制方程由领略模子默示，这些模子近似于结构的刚度属性和各式失效机制。每一种树立齐得到单独优化。“然后，为Anisogrid的六边形和三角形单位系统制定特定的领略模子，这么，咱们就随机识别屈曲机制并了解以前被低估的环肋的作用。”Totaro 说谈，“咱们还领略公式化了蒙皮的局部屈曲，它发生在六边形的局部，并沿结构传播。它还匡助信托了蒙皮层压板的最好铺叠规章。这些模子频繁是使用Maple软件（Maplesoft，加拿大安大略省滑铁卢）制定的。”

CIRA 的三阶段联想优化模式探索了Anisogrid参数（左），以向下遴荐最好树立，用于开展肤浅的有限元分析，从而为最终的 3D CAD 应力分析输出最好树立（右）（图片来源：CIRA 和 ESA）

2. 肤浅的有限元模子。一朝信托了终了最轻质地的最好候选决策，该决策就会被升沉为有限元模子，该模子由肤浅的一维“条形”单位（用于肋）和二维单位（用于蒙皮）组成。“这些模子不错在几分钟内自动生成，指标仅仅为了考据预期的刚度和强度性能是否能合理终了，并有可能用于平缓养息肋的横截面或蒙皮的铺叠规章，最终完善该处罚决策。”Totaro 说谈。基于为 Nastran 求解器（可从多个供应商处取得）构建输入文献的特定规程，此过程相对较快。“然后，咱们进行更缜密的分析并再次向下遴荐。”Totaro 说谈，“在信托了肋的最终构型和横截面后，该阶段即收尾。”

3. 最终的三维模子。然后，将最终的联想升沉为三维CAD 模子，这为工装制造和界说坐蓐工艺（芯轴、模具、接口）以及构建最终的三维有限元模子以进行看重的应力-应变分析提供了基本的输入文献。在该阶段，起首从以前的简化版块中被排斥的通盘材料属性和附加结构元素齐被引入到有限元模子中进行分析。

因此，通过简化下选过程，不错最猛进度地减少耗时的高诡计分析并快速完成，但该过程仍要谈判对Anisogrid的结构行径最为迫切的性能成分。

“Totaro多年的诱惑匡助CIRA很好地浮现了Anisogrids的分析模子。”De Nicola 说谈，“而这依然一个绝顶快的过程。这些模子很复杂，但也领受了半领略步地，是以软件不错快速响应入手优化赶走，然后，咱们就不错使用圭臬的有限元模式对其进行优化。从一入手，咱们就接力对Anisogrid结构行径进行着实的了解，这并不常见。咱们莫得一个带有需要优化的平素单位的通用模子，而是领有网格结构行径的特定学问。雷同，这教导咱们诱惑了新的联想模式，为轻量化和高效化带来了新的契机。”

脱模

De Nicola默示，关于锥形结构或大型圆柱体而言，在灌输树脂且固化后，取出芯轴频繁不是问题。“咱们可能难以处理像吊杆这么的细长圆柱体，这需要一个机械提真金不怕火安设来移除芯轴，但频繁是在不施加高载荷的情况下将其取出。关于摩擦力较高的较长结构，咱们在硅胶模板与铝芯轴之间应用了特氟龙层。”

在固化过程中，铝芯轴的扩张有助于部件固化，其在冷却过程中的收缩还有助于脱模。De Nicola先容说，在芯轴上方的硅胶板工装有较高的热扩张性，这在固化过程中还有助于压实材料。“咱们将这种扩张谈判进来，以便正确地信托复合材料肋的尺寸。”

部件取出后，去除剥离层，便可取得名义质地高的制品。关于无蒙皮的复合材料Anisogrids而言，去除其肋间闲暇处的固化树脂膜是很容易的。“它绝顶薄，唯独十分之几毫米厚，而且散播在通盘名义上，不错在几分钟内把它切掉或敲掉。”

完成的 CFRP Anisogrid臂结构（图片来源：CIRA 和 ESA）

越来越多的应用

从大型结构到微型结构，CIRA已证据注解了其联想和制造模式的能力和多用性，用于 Vega-C天际放射器的直径2.4m、长2m的2/3级间等于一个过错例证。“咱们用了3周时期缠绕完成了第一个 Vega-C 级间原型，然后咱们与Avio合营，熟化并加速了这一过程。2018年，在见效完成测试（包括盘曲刚度评估和施加高达750t的压缩载荷）后，Avio制造了这些认证部件。”De Nicola 说谈。

Vega-C于2022年首飞，但由于Zefiro电机的喷嘴出现故障，任务在第二次放射后暂停。Vega-C 野心于2024 年晚些时候规复遨游，并在2025年引申密集的放射野心。

CIRA 还制造了一款长0.64m、直径1.4m的锥形适配器，质地仅为7kg，比CFRP参考决策要轻30%，却不错承受80t的压缩载荷。该结构的制造包括在千里积过程中将70个光纤布拉格光栅（FBG）传感器镶嵌到螺旋肋中，以展示集成结构健康监测（SHM）和传感系统的可行性。“该系统在机械测试过程中运行得绝顶好，终明晰对应变传感器的精确掩盖，从而不错更好地了解结构行径并考据结构的看重的有限元模子。”Totaro先容说。

另一个应用是CIRA制造的直径1.2m、长2.7m的中型卫星中心管主结构原型，该部件不仅均衡好了刚度和强度方面的要求，还终明晰低于14kg/m的比质地，这要比传统的复合材料壳体结构轻20%。

CIRA领受的机器东谈主缠绕、树脂灌输和非热压罐固化的模式，已在越来越多的结构制造中得到了考据，包括锥形承载适配器、圆柱形空间结构以及当今用于将来航天应用的更庸俗的结构（图片来源：CIRA 和 ESA）

在此部件中，平行缠绕被用来集成“黑环”——这是一种宽度较大的环肋，按两个标的缠绕的纤维为螺栓清除提供了承载强度。“这些环频繁沿壳体结构的旯旮引入，看成与相邻组件的法兰的接口。”Totaro 说谈，“它们还被集成到需要对清除点进行局部加固的结构中。为收缩质地，咱们不错天真地集成与肋同高（径向厚度）或深度减小（如径向厚度唯唯一半或更小）的黑环。”

环向缠绕的黑环要比环肋宽，它为螺栓清除提供了清除点（图片来源：CIRA 和 ESA）

CIRA最新的标准是一个直径120mm、长1.5m的细长的CFRP Anisogrid吊杆段，用于可伸开式卫星天线。其联想要求在受热景色下确保尺寸雄厚性，以及具有高的刚度/分量比。CIRA 领受细肋（横截面为1.5mm×3.6mm），终明晰0.5kg/m的比质地。“为了以均匀的蒙皮达到相似的质地，要求层压板仅厚1mm或更薄，这就使得终了理思的铺叠规章以应承刚度、CTE 和强度等抽象要求变得愈加勤劳。”Totaro说谈。

“由于咱们使用的是干纤维而不是预浸料，因此在单向纤维旅途上莫得变形，在节点处也莫得堆积。”De Nicola先容说，“交汇还使结构因其质地而具有极强的抗损害性。咱们更为高效的联想模式与咱们的制造模式相结合，使得复合材料的Anisogrids成为更实用的决策，不仅适用于航天器，还适用于更庸俗的航天应用。咱们看到了咱们的联想和制造模式的庞杂后劲，将来，咱们将赓续诱惑更轻、更高效的复合材料结构。”

原文集结：

https://www.compositesworld.com/articles/low-cost-efficient-cfrp-anisogrid-lattice-structures-

践诺翻译：苏州空天复材团队

近期会议