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    超長復合材料應變能桿件連續自動化成型技術及

    文章出處:網絡責任編輯:管理員人氣:發表時間:2015-06-20【

    采用先進復合材料制造 的應變能桿依靠收攏儲存的應變能可自動伸展形成可起支撐作用的超長構件,這種構件具有收攏體積小和展開剛度大的優點,便于航天器發射時攜帶。特別是衛星天 線和星際探測器的太陽帆尺寸要求越來越大,復合材料應變能桿因其突出優勢在這些超大展開部件上有著廣泛的應用前景。目前,單根應變能桿的長度已達30多米,未來將更長,這就對其制造技術提出更高的要求,復合材料連續自動化成型技術將成為其工程應用的重要的解決方案之一。

    隨著人類探索宇宙深度的增加,衛星、飛船和星際探測器等航天器的天線尺寸要求越來越大。此外,太陽帆(光帆)已被視為進行深空探測和星際探測的理想推進機構。太陽帆是以太陽的輻射壓做為探測器的推進力,由于輻射壓非常小,所以要求太陽帆的面積非常大,大型太陽帆的面積要求10000多m2。航天器的天線結構和太陽帆在發射到預定軌道之前是收緊在一個較小容器中,等發射到預定軌道后再進行展開。早期的衛星天線是采用機械機構進行展開的,結構復雜,重量較大。20世紀80 年代以來,美國、歐洲、日本等相繼開始研究利用薄膜技術和復合材料結構來實現可收攏和展開的大型化和輕量化空間結構。

    copyright 123456



    20世紀90年代,歐洲航天局(ESA)和德國宇航中心(DLR)提出采用碳纖維增強復合材料應變能桿作為桅桿,對角撐開太陽帆薄膜的太陽帆總體方案,并進行了20m×20m太陽帆的地面展開試驗(圖1)。復合材料應變能桿是由兩個Ω形復合材料應變能構件(圖2 (a))膠接而成,可以在外力作用下壓扁并收卷成特定的形狀(圖2(b)),在自由狀態下時依靠收卷變形儲存的應變能,可展開成桿結構(圖2(c))。




    近年來,隨著波音787、空客350等 大型復合材料結構的航空器陸續投入商業運行,標志著先進復合材料結構研制日益走向大型化和經濟型——從力學性能的最大化轉向通過低成本技術來獲得經濟上可 承受的結構,這一過程的轉變與先進復合材料的自動化制造技術的發展是有著密切的關系。預浸料自動成型技術,包括自動鋪帶技術(ATL)和自動纖維鋪放技術(AFP)和先進拉擠(ADP)等為核心的自動化制造技術成為發展的重要方向之一。目前發達國家在航空航天復合材料制造中廣泛采用的自動化技術,采用預浸料和數字化設計與自動化制造超大、低成本先進復合材料構件,同時,促進了復合材料結構的產量和產品質量的提高,改善了工藝環境,實現綠色制造。
    內容來自123456


    應變能桿的特點

    復合材料應變能桿不同于其它復合材料型材構件,有其自身顯著的特點:

    (1)超長:應變能桿主要用于大型衛星天線和太陽帆的支撐結構,這就決定了其長度非常大的特點。ESA和DLR的研究表明質量為110kg的飛船需要125m×125m的太陽帆作為推進系統(假設太陽帆密度為8g/m2),若采用4根應變能桿對角支撐的方案展開,則單根應變能桿的長度接近90m,遠遠超過傳統的航天器和飛機的長桁等型材結構。這就要求更大成型設備或新的成型方法。

    (2)超?。簽楸U蠎兡軛U的收攏和展開,桿壁厚度要求不超過0.5mm;并且為滿足應變能桿的抗扭、抗彎和基頻的設計要求,桿壁必須具有±α°鋪層和連續0°鋪層(不允許間斷和搭接)。這就對預浸料厚度要求更加苛刻,而且對制備預浸料的坯材要求更高。 123456

    (3)超高直線度:由于應變能桿長度增加給制件的直線度帶來更高的要求,從而保障兩半片應變能桿制件粘接的吻合度和最終應變桿的總體直線度。

    (4)超精確外形:由于應變能桿是由兩半片膠接制成,為保障兩半片膠接面的貼合緊密,膠接后沒有畸變,必須要求固化后的復合材料應變能制件的外形及尺寸具有高度一致性。這就對預浸料的鋪放角度和鋪放張力提出了更高的要求。

    復合材料超長結構連續自動化成型技術

    目前,復合材料行業使用的成型設備主要包括熱壓罐、模壓機和拉擠設備。

    (1)熱壓罐是具有整體加熱系統的大型壓力容器,具有壓力場均勻、溫度場均勻、加壓靈活、適合多種材料及多種形狀產品的生產等特點,但制件尺寸受到熱壓罐尺寸的限制。國外已研制的應變能構件的長度達到30m,遠遠超過現今國內最大熱壓罐尺寸為Φ5.8m×19m。而且隨著熱壓罐尺寸(≥10m)的增大,設備的制造成本更昂貴,溫度和壓力響應遲緩,溫度控制精度差。因此隨著復合材料應變能構件尺寸的增加,熱壓罐設備不能適用于超長構件的成型。
    內容來自123456


    (2)模壓機具雖然具有壓力范圍寬(10~2000T)、壓力均勻、產品尺寸精度高等特點,但其工作面尺寸有限(最大為1.5m×3m),多用于制備板狀、管狀或者其他較為簡單形狀的復合材料制品,不能直接作為應變能構件的整體成型設備。

    (3) 拉擠設備是將纖維或織物濕法浸膠,在張力作用下通過加熱的模具實現連續成型和固化,該設備突破了產品尺寸的限制,能夠實現連續化整體成型,但不能進行復雜 鋪層方式的設計,實現制品力學性能可設計性,制品性能具有明顯的方向性,其橫向強度較低,含膠量控制精度較低,而且只限于生產通用復合材料型材,不能應用 制備航天高性能復合材料構件。

    復合材料應變能桿的顯著特點對其成型工藝提出了更高的要求。國外已研制的應變能構件的長度已達到30m,采用現有工藝,其超長且無搭接的要求,遠遠超出了目前國內復合材料成型和固化設備的制造能力。另外,傳統的手工鋪疊已遠遠不能滿足應變能桿超高直線度和超精密外形對預浸料鋪放角度、張力和直線度的工藝要求,必須采用自動化連續鋪疊裁剪。 內容來自123456

    為了解決超長復合材料應變能桿整體成型的關鍵技術,滿足應變能桿的設計要求,南京航空航天大學提出了復合材料構件連續成型技術方案,其基本流程如圖3所示。它是以預浸料為原料,經裁剪-鋪 疊、預變形、熱壓固化、后固化、牽引和檢測等工藝過程替代原有成型設備成型產品,直接制造復合材料結構件的總稱。高質量預浸料作為原材料可保證制件的厚度 均勻,絲束分布均勻;自動化裁剪和鋪疊可保證預浸料的鋪放角度和鋪放張力,保障制件的直線度;預變形可避免制件在熱壓模具中的變形過大,從而保障制件固化 后的精確外形;固定位置或移動的熱壓固化模具和后固化設備可避免超大熱壓罐的使用,降低制造成本;制件牽引系統可實現復合材料構件的連續成型。



    復合材料連續成型設備與傳統成型設備的比較見表1。連續成型設備不受場地和模具的限制,可在小型模具上通過連續固化成型生產大型、超長復合材料構件。另外,該設備可通過成型前的自動裁剪-鋪疊系統,實現具有鋪層設計的復合材料構件的連續生產,這與傳統的拉擠設備不同,同時可控制復合材料構件的纖維體積含量。
    123,123




    南京航空航天大學在復合材料構件連續成型技術方案的基礎上初步研制了復合材料應變能桿成型的原理樣機(圖4(a)),并試制了20m長應變能桿(圖4(b))。



    應用前景

    復合材料應變能桿因其突出優勢在航天領域具有廣泛的應用前景,可以用于合成孔徑雷達(SAR)衛星的天線的桅桿,以及其他衛星和探測器天線的展開機構。

    復合材料構件整體連續成型技術不僅可以完成應變能桿的制造,而且可以用于制造衛星和飛船中的桁條,以及飛機的地板梁和機身機翼的長桁等復合材料型材結構。從而提高生產效率,降低成本,保證產品質量的穩定性。



    作者:齊俊偉 肖軍 王躍全

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    單位:南京航空航天大學材料科學與技術學院 
     

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