基于碳纖維復合材料的低溫貯箱支撐桿設計與仿真

張展智，陳 亮，鄭紅飛，莊方方，閆指江

（1.中國運載火箭技術研究院研究發展中心，北京100076；2.航天材料及工藝研究所，北京100076）

基于碳纖維復合材料的低溫貯箱支撐桿設計與仿真

張展智1，陳 亮2，鄭紅飛2，莊方方1，閆指江1

（1.中國運載火箭技術研究院研究發展中心，北京100076；2.航天材料及工藝研究所，北京100076）

針對碳纖維復合材料在運載火箭低溫貯箱支撐桿中的應用問題，基于碳纖維復合材料單向板力學性能測試結果，對低溫貯箱支撐桿的材料和鋪層進行了設計，并通過靜力學仿真分析對設計方案進行了驗證，結果表明：在298 K和77 K溫度下，T800單向板的力學性能均優于T700單向板，更適于制造低溫貯箱支撐桿；以9°為主角度鋪設72層T800增強纖維的低溫貯箱支撐桿，其298 K和77 K溫度下的拉伸強度和壓縮強度可以很好地滿足運載火箭低溫貯箱支撐桿的設計強度要求。

低溫；支撐桿；碳纖維復合材料；性能測試；靜力學分析

1 引言

復合材料支撐結構被越來越多地用于空間承力結構，以滿足空間工程苛刻的減重要求［1?3］。如美國X?33驗證機上連接發動機與兩個液氫貯箱的碳纖維／環氧復合材料多功能推力架結構，連接液氧貯箱和液氫貯箱的IM7／APC2熱成型架結構等，通過金屬接頭連接在兩個鈦合金端框上，有效承載能力達到了200 t左右［4］。

由于設計能力及工藝水平的限制，目前我國運載火箭箱間段全部采用金屬支撐結構。某型在研運載火箭擬采用液氫／液氧作為推進劑，箱間段擬采用復合材料支撐桿以利于減重和降低漏熱。將復合材料應用于低溫貯箱的支撐結構，必須重點考核材料在低溫下的力學性能。趙福祥等比較了幾種纖維復合材料單向板的性能，指出碳纖維復合材料在低溫下具有最佳的性能表現，但還有必要對碳纖維復合材料進行試驗研究［5］。

本文采用自研低溫樹脂制作了碳纖維復合材料單向板，測試其在298 K和77 K溫度下的力學性能。并以此數據作為輸入條件，設計復合材料低溫貯箱支撐桿。并采用靜力學仿真方法分析桿件在298 K和77 K溫度下對應的強度，以驗證設計的可行性。

2 單向板力學性能測試

2.1 試樣制備

為了獲得碳纖維復合材料在常溫和低溫下的強度數據，為低溫貯箱支撐桿選擇合適的材料，制作了碳纖維復合材料單向板試樣，并測試其在298 K和77 K溫度下的力學性能。

碳纖維復合材料單向板的增強纖維選用T700SC?12K和T800HB?12K，樹脂選用自研的低溫環氧樹脂。

試樣的制備和測試按照單向纖維增強材料拉伸性能和壓縮性能相關試驗標準執行［6?7］。

碳纖維復合材料單向板拉伸試樣的尺寸為230 mm×（12.5±0.2）mm×1 mm，壓縮試樣尺寸為140 mm×（6±0.1）mm×2 mm。

2.2 測試結果

T700單向板和T800單向板在298 K和77 K溫度下的拉伸性能如表1所示。

從表1中可以看出，在298 K溫度下，T800單向板的0°拉伸強度和0°拉伸模量均高于T700單向板。在低溫性能方面，T700單向板77 K溫度下的0°拉伸強度低于298 K溫度，而T800單向板77 K溫度下的0°拉伸強度則高于298 K溫度。兩種材料77 K溫度下的拉伸模量均高于298 K溫度。

T700單向板和T800單向板在298 K和77 K溫度下的壓縮性能如表2所示。

從表2中可以看出，在298 K溫度下，T800單向板的0°壓縮強度和0°壓縮模量均高于T700單向板。在低溫性能方面，兩種材料在77 K溫度下的壓縮強度和壓縮模量均高于298 K溫度，T800單向板在77 K溫度下的壓縮強度和壓縮模量高于T700單向板。

表1 單向板298 K和77 K溫度下的拉伸性能Table 1 Tensile properties of unidirectional lam inate at 298 K and 77 K

表2 單向板298 K和77 K溫度下的壓縮性能Table 2 Com p ression properties of unidirectional lam inate at 298 K and 77 K

3 支撐桿設計

3.1 設計要求

支撐桿為管型構件，依據某型運載火箭總體技術方案，支撐桿的設計要求如表3所示。

表3 支撐桿設計要求Table 3 Param eters of cryogenic tank strut

根據碳纖維復合材料單向板力學性能測試的結果，低溫貯箱支撐桿選擇T800HB?12K作為增強纖維，且纖維鋪層角度接近0°，有助于提高支撐桿的拉壓性能。

3.2 鋪層角度分析

T800HB?12K碳纖維鋪層的單層厚度為0.139 mm，對于壁厚為10 mm的支撐桿，需要72層鋪層才能滿足其尺寸要求。假設碳纖維鋪層的主角度為X°，同時考慮到層間剪切和脫模的影響，增加45°鋪層，支撐桿的鋪層方式設計為［（±45／±X4）7／±45］，共72層。以T800單向板力學性能測試數據作為輸入條件，計算分析了碳纖維鋪層主角度為0°～18°時，支撐桿在298 K時的拉伸和壓縮強度。計算結果如圖1和圖2所示。

計算結果表明支撐桿的拉伸和壓縮破壞都隨主角度的增大而降低，并且主角度越大，破壞強度下降得越快。因此，為使支撐桿獲得盡可能大的拉伸和壓縮強度，應盡可能使用小的主角度。綜合考慮纏繞成型的工藝可行性和纖維的使用率，選擇9°作為支撐桿的主角度。

4 靜力學仿真

4.1 拉伸性能分析

以碳纖維復合材料單向板的力學性能測試數據作為輸入條件，建立鋪層主角度為9°的低溫貯箱支撐桿的仿真模型，使用有限元方法分析其在298 K和77 K下的拉伸強度。

支撐桿9°鋪層在298 K和77 K溫度下的拉伸破壞應力云圖分別如圖3和圖4所示。

根據最大應力準則，在298 K溫度下，當支撐桿拉伸應力為2102 MPa時，其9°鋪層拉伸應力為2655～2666 MPa，達到了通過力學性能測試獲得的T800單向板的拉伸強度，因此可以認為支撐桿的拉伸強度為2102 MPa。同理，在77 K溫度下，當支撐桿拉伸應力為2190 MPa時，其9°鋪層拉伸應力為2777～2790 MPa，達到拉伸強度，因此可以認為支撐桿的拉伸強度為2190 MPa。

在298 K和77 K溫度下，相對于370 MPa的最大拉應力設計要求，支撐桿的拉伸強度都能夠予以滿足，且留有較大的設計余量。

4.2 壓縮性能分析

采用同樣的方法分析支撐桿在298 K和77 K下的壓縮強度。支撐桿9°鋪層在298 K和77 K溫度下的壓縮破壞應力云圖分別如圖5和圖6所示。

根據最大應力準則，在298 K溫度下，當支撐桿壓縮應力為1323 MPa時，其9°鋪層壓縮應力為1635～1642 MPa，達到測得的T800單向板的壓縮強度，因此支撐桿的壓縮強度為1323 MPa。在77 K溫度下，當支撐桿壓縮應力為1420 MPa時，其9°鋪層壓縮應力為1768～1776 MPa，達到壓縮強度，因此支撐桿的壓縮強度為1420 MPa。

可見在298 K和77 K溫度下，相對于320 MPa的最大壓應力設計要求，支撐桿的壓縮強度仍然能夠予以滿足。

5 結論

根據碳纖維復合材料單向板的力學性能測試結果，采用T800／低溫環氧樹脂設計了鋪層為［（±45／±94）7／±45］的低溫貯箱支撐桿。在298 K溫度下，支撐桿的拉伸強度為2102 MPa，壓縮強度為1 323 MPa；在77 K溫度下，支撐桿的拉伸強度為2190 MPa，壓縮強度為1420 MPa，均可滿足設計要求。

（References）

［1］ Wu K C，Phelps J E，McKenney M J，et al.Highly loaded composite strut testdevelopment［C］／／Proceedingsof the52ndAIAA／ASME／ASCE／AHS／ASC Structures，Structural Dy?namics and Materials Conference，Denver，CO.April 4?7，2011.

［2］ Brewster JW.Design andmanufacture of structurally efficient tapered struts［R］.NASA?CR?2009?215957，2009.

［3］ Smith J J.Evolved composite structures for Atlas V［C］／／Proceedings of the 38th AIAA／ASME／SAE／ASEE Joint Pro?pulsion Conference and Exhibit，Indianapolis，July 7?10，2002.

［4］ Wu K C，Jegley D C，Barnard A，et al.Highly loaded com?posite strut test results［C］／／SAMPE Europe 32nd Interna?tional Conference and Forum，Paris，2011.

［5］ 趙福祥，魏蔚，劉康，等.纖維復合材料在低溫容器內支撐結構中的應用［J］.低溫工程，2005（3）：23?26. Zhao Fuxiang，WeiWei，Liu Kang，et al.Properties of fibre reinforced plastic used in the inner supporting structure of cry?ogenic vessels［J］.Cryogenics，2005（3）：23?26.（in Chi?nese）

［6］ GB／T3354?1999，定向纖維增強塑料拉伸性能試驗方法［S］.北京：中國標準出版社，1999. GB／T3354?1999，Testmethod for tensile properties of orien?ted fiber reinforced plastics［S］.Beijing：Standards Press of China，1999.（in Chinese）

［7］ GB／T3856?2005，單向纖維增強塑料平板壓縮性能試驗方法［S］.北京：中國標準出版社，2005. GB／T3856?2005，Test method for compression properties of unidirectional fiber reinforced plastics［S］.Beijing：Standards Press of China，2005.（in Chinese）

Design and Static Simulation Analysis of Cryogenic Tank Strut Based on Carbon Fiber Reinforced Composites

ZHANG Zhanzhi1，CHEN Liang2，ZHENG Hongfei2，ZHUANG Fangfang1，YAN Zhijiang1
（1.China Academy of Launch Vehicle Technology Research＆Development Centre，Beijing 100076，China；2.Aerospace Research Institute of Materials＆Processing Technology，Beijing 100076，China）

For the application of carbon fiber reinforced composites in cryogenic tank struts of the launch vehicle，the reinforcingmaterial and the layers of cryogenic tank strutswere designed based on themechanical performance testing results of a series of unidirectional laminates.The static simu?lation analysis validated that：at the temperature of both 298 K and 77 K，themechanical perform?ance of T800 unidirectional laminateswas superior to that of the T700 unidirectional laminates and thusmore appropriate tomanufacture the cryogenic tank struts；the tensile strength and the compres?sion strength of the cryogenic tank strut，designed with 72 layers of T800 fibers inmain angle of9°，could sufficientlymeet the design requirements of the launch vehicle，at both 298 K and 77 K

cryogenic；strut；carbon fiber reinforced composites；performance test；static analysis

V414.8

A

1674?5825（2017）01?0061?04

2015?10?22；

2017?01?09

載人航天預先研究項目（060301）

張展智，男，博士，工程師，研究方向為航天運輸系統總體設計。E?mail：zhangzhanzhi＠buaa.edu.cn