航天用大長徑比碳纖維復合材料桿件直線度改進研究

周 棟 董 斌 葉奇飛 沈 輝 陳萬新 黃文煜 楊 浩 葉鵬華

航天用大長徑比碳纖維復合材料桿件直線度改進研究

周 棟 董 斌 葉奇飛 沈 輝 陳萬新 黃文煜 楊 浩 葉鵬華

（上海復合材料科技有限公司，上海 201112）

針對航天用大長徑比碳纖維桁架桿件直線度超差問題，采取了整體制作真空袋和簡支梁模型的成型方法，對桿件直線度與制品溫度均勻性、撓度矯正的影響進行了研究，建立不等溫模型仿真分析了直線度與溫度影響。結果表明，仿真結果與產品變形趨勢一致，采取措施后碳纖維桿件直線度提升明顯，寬面由0.97mm/m提升到了0.42mm/m，窄面由0.39mm/m提升到了0.18mm/m。

碳纖維桿件；直線度；整體制袋；簡支梁模型；不等溫模型

1 引言

碳纖維復合材料具有高的比強度和比模量、出色的耐熱性、較低的熱膨脹系數、較小的熱容量及優秀的抗腐蝕與抗輻射性能等特點，已逐漸應用在航空航天領域，尤其是在各類空間衛星產品上。而隨著空間衛星技術的快速發展，采用碳纖維復合材料制備的桁架結構已越來越多地應用于空間衛星結構。碳纖維復合材料桁架結構具有較好的組合性及通用性，可根據不同的使用要求進行空間構型組合，而且形式簡單、載荷可優化分配、局部強度高、安裝拆卸簡單方便，有著廣闊的應用前景。但我國目前使用碳纖維復合材料桁架作為空間衛星主結構的技術還不夠成熟。同民用復合材料產品不同的是，衛星用碳纖維桁架桿件的熱變形及安裝精度等方面要求較高，其中碳纖維復合材料桿件直線度是一個典型尺寸，對整個碳纖維桁架的尺寸精度及安裝定位均有較大的影響，因此開展碳纖維復合材料桁架桿件直線度的改進工作很有必要。

目前，碳纖維復合材料桁架桿件多采用纖維纏繞成型，將纏繞后的桿件合模后在固化平臺上制備真空袋，而后進行熱壓罐成型，全程抽真空，減少層間揮發分且保證產品的密實性。該成型方式由于模具直接放置于大的成型平臺，成型過程的產品不同位置模具溫度不均勻，升降溫過程的上下面變形量不一致，導致產品直線度超出工藝設計要求。另外，對于大長徑比桿件，其翹曲變形的繞度與桿件長度呈非線性關系。有研究結果表明，薄壁層合板比厚壁層合板更易發生翹曲變形。Twigg 等人的研究結果表明，層合板固化時的翹曲變形與板的長度的立方成正比，與板的厚度的平方成反比。

為保證航天用大長徑比碳纖維桁架桿件直線度，本文建立不等溫模型仿真分析了直線度與溫度影響，通過對比試驗分析碳纖維桁架桿件在不同的熱壓罐成型狀態下的直線度情況，優化成型過程中的工藝方法及參數，制定出整體制袋和應用簡支梁的方法，使得大長徑比的碳纖維桁架桿件變形量更小，寬面直線度由0.97mm/m提升到了0.42mm/m，窄面直線度由0.39mm/m提升到了0.18mm/m。

2 實驗

碳纖維桁架桿件使用的成型方法為纖維纏繞鋼模熱壓罐成型。其中所選桿件截面尺寸為63mm×30mm，桿件壁厚為2.1mm，長度為3600mm，纏繞角度為：±30°/90°/±30°/90°/±30°/90°/±30°/90°/±30°。固化制度為：制品在制作真空袋進熱壓罐后(90±3)℃，保溫30min，在保溫結束開始打壓至(0.3±0.02)MPa；在模具溫度升到(115±5)℃后打壓(0.7±0.02)MPa；在(115±5)℃，保溫30min；在(177±3)℃保溫180min，整個過程中升溫和降溫的速率0.3～0.5℃/min。

2.1 基礎實驗

桿件1#、2#合模后模具下底面放置于成型平臺，三面包覆真空袋密封至底面平臺處的方式制袋，抽真空、熱壓罐成型固化。

2.2 整體制袋實驗及仿真分析

桿件3#、4#合模后，四個面整體包覆真空袋密封，放置于成型平臺上，抽真空，熱壓罐成型固化。

通過實驗驗證，分別在空白實驗中的平臺制袋桿件和整體制作真空袋桿件上下面布置熱電偶，在熱壓罐固化成型時發現，平臺制袋桿件下底面溫度較上表面溫度約高10℃，而整體制袋桿件模具下底面與上表面溫差5℃以內，成型狀態及溫度分布情況表征如圖1所示。

圖1 成型狀態及溫度分布圖

表1 M55J/環氧樹脂力學性能

表2 桿件纏繞鋪層角度及尺寸

按上述溫度情況，在Abaqus Standard中建立模型，模擬上、下表面不等溫時3600mm長桿件的變形情況。其中單元選擇殼單元S4R；材料的模量等屬性和層合板鋪層順序分別按表1和表2設置，其中桿件以長度方向為0°，環向為90°；結構溫度通過預定義場施加，上表面溫度110℃，下表面120℃；中心截面用Encastre約束平移和轉動自由度，兩端為自由端。模擬結果如圖2所示，可以看出桿件兩自由端有向下表面收縮彎曲的趨勢，應變值最大點在端部，最大直線度偏差0.5mm。

為進一步驗證上下表面的溫度差對產品影響，將3#、4#桿件整體制袋成型固化，與1#和2#平臺制袋的桿件形成對比，比較兩種成型狀態下的桿件直線度情況。

圖2 桿件變形與溫差模擬

2.3 簡支梁模型實驗

由桿件模具上下表面不等溫模型可以得出桿件兩端有向下表面收縮彎曲的趨勢，而由簡支梁模型將桿件兩端等高架空，可以發現由于重力影響在桿件中段有向下表面彎曲的趨勢，該趨勢剛好與桿件模具不等溫模型模擬結果趨勢相反，現以此進行校正，設置兩組不同簡支梁支點之間距離來調節桿件彎曲變形趨勢，如圖3所示，其中5#、6#桿件兩支點間距為2500mm，7#、8#桿件兩支點間距為3500mm。

圖3 簡支梁模型試驗圖示

3 結果分析與討論

表3 模具升溫速率與上下面溫差和直線度關系

保證桿件成型的固化制度一致，1#、2#桿件為平臺制袋成型方式，3#、4#桿件為整包袋制袋方式，5#、6#桿件為整體制袋且墊等高塊距離2500mm，7#、8#桿件為整體制袋且墊等高塊距離3500mm，5#、6#、7#和8#四件桿件為同一爐次。匯總幾種成型方式下的模具升溫速率、模具上下表面的溫度差值及桿件寬面和窄面直線度數據，實驗結果見表3。

3.1 成型狀態對桿件溫度均勻性影響

由表3可以發現，1#和2#桿件模具下底面放置于平臺，制作平臺袋時模具上下面溫度差約為10℃，3#和4#桿件模具整體制作真空袋放置于成型平臺，模具上下面溫度差約5℃，5#、6#、7#和8#桿件整體制袋后按簡支梁模型兩端墊高放置于成型平臺，模具上下面溫差約為3℃。試驗結果表明，桿件固化成型時整體制作真空袋可以較大地減小桿件上下面的溫差，而且在兩端架空墊高時效果更加明顯。這主要是因為，1#和2#桿件平臺制袋時，模具底面直接接觸鋼制成型平臺，升溫過程中，模具下底面由于熱接觸傳遞效果較為明顯，下底面較上表面升溫快，溫差較大；而3#和4#桿件整體制袋后放置于成型平臺上，在熱壓罐固化成型過程中，模具真空袋保持高真空度，雖模具下底面的真空袋等輔料與平臺接觸，但真空袋內的真空條件下的傳熱效率低，模具上下面仍有溫差，但溫差減小；5#、6#、7#和8#桿件在3#和4#桿件基礎上兩端墊高，有利于熱壓罐中熱風循環，在考慮到熱電偶測溫誤差等因素的情況下，整體制袋簡支梁模型狀態成型的模具上下面溫度相差不大。

3.2 升溫速率及溫度均勻性對桿件直線度影響

由表3可以發現，1#和2#桿件同爐平臺制袋升溫速率要高于3#和4#桿件同爐整體制袋的升溫速率，且由實驗數據得知固化過程的升溫階段，模具下底面溫度均略高于上表面，產品脫模后兩端向下表面彎曲整體呈現向上表面“拱”的趨勢，如圖4所示，該情況也與前面上下面不等溫模型的仿真結果相吻合。另外由直線度實驗數據可以看出，3#和4#桿件同1#和2#桿件相比無論是寬面或是窄面直線度均有較為明顯的提升，其中寬面直線度由0.97mm/m提升到了0.63mm/m，窄面直線度由0.39mm/m提升到了0.19mm/m，說明采用整體制作真空袋降低固化過程中模具的升溫速率、減少模具上下面的溫差對于桿件直線度的改善效果明顯。這主要是因為，模具及產品各部位溫度在固化過程中無法保持均勻分布，各部位基體樹脂的反應程度在某一時間段內會產生差異，形成非同步固化狀態，造成樹脂模量和固化收縮應變的不一致，導致應力的產生，較快的加熱速率不僅會影響模具溫度場的均勻性，而且由于復合材料的熱導率較小，還會使復合材料內部產生明顯的溫度梯度，溫度高的地方固化度高。而樹脂在處于玻璃態時固化收縮對殘余應力有影響，固化收縮應變可以通過樹脂固化度進行計算：

式中：e為固化收縮應變，為固化度，是由實驗確定的樹脂總體積收縮。纖維在固化過程中不發生固化收縮，復合材料的固化收縮可以根據細觀力學模型確定，其中沿纖維方向應變為：

式中：為沿纖維方向的應變，E、E分別為樹脂和纖維的彈性模量，υ為纖維的體積分數。由上述公式可以看出，升溫速率快導致產品下表面的溫度高，其固化度高，固化收縮沿纖維方向的應變大，進而使得桿件兩端向下表面彎曲整體呈現向上表面“拱”的趨勢。同時因為模具與產品之間的相互作用，復合材料的剪切力貼模面與非貼模面相差大，沿產品的厚度方向會形成一個應力梯度，該應力梯度隨著樹脂的固化定型而保留在產品內，直至完全固化脫模，參與應力得到釋放引起產品變形。

圖4 產品脫模后變形圖示

3.3 簡支梁模型應用對桿件直線度影響

由簡支梁模型原理在桿件兩端墊等高塊進行約束，其撓度值可表示為：

式中：為一段桿件上的均布載荷，該載荷由模具自重提供；為兩支點之間的間距；為彈性模量；為截面的軸慣性矩。

由上述公式可以看出，在桿件自身屬性確定的情況下，撓度主要和簡支梁兩支點的間距相關。由表3可以看出，通過比較3#、4#和5#、6#可以發現，在間距為2500mm的位置墊等高塊對桿件寬窄面直線度略有改善，其中寬面直線度由0.74mm/m提升至0.54mm/m，窄面直線度由0.21mm/m提升至0.18mm/m；再比較3#、4#和7#、8#桿件可以發現，在間距為3500mm（端部）位置墊等高塊對桿件寬面直線度改善提升較大，其中寬面直線度由0.74mm/m提升至0.42mm/m，窄面則效果不明顯；這主要是因為簡支梁模型產生的撓度變形與固化產生的變形趨勢相反，對桿件整體變形趨勢起到矯正的作用。將1#、2#和7#、8#桿件對比可以發現，在采取整體制作真空袋且在桿件兩端部墊等高塊的情況下，無論是寬面還是窄面直線度均改善明顯，其中寬面直線度由0.97mm/m提升到了0.42mm/m，窄面直線度由0.39mm/m提升到了0.18mm/m，改進后的產品可以滿足航天用碳纖維桁架桿件的裝配要求。

3.4 其他因素對桿件直線度影響

雖然上述措施的綜合使用對桿件直線度提升了一半左右，但后續仍有較大的改進空間。其他的一些對比實驗發現桿件壁厚越薄，截面長寬比越大的產品結構更易發生變形；通過對比普通45鋼和殷鋼所成型的產品的變形情況可以發現，應用45鋼模具比殷鋼模具導致的翹曲變形更加明顯，這是因為在復合材料熱膨脹系數較低而模具熱膨脹系數較高時，會產生制品-模具耦合效應，45鋼模具相比于殷鋼模具熱膨脹系數更高。在這種情況下，制品在熱壓罐的高溫高壓下，模具和制品會因變形失配而產生剪切作用，引起復合材料沿厚度方向的應力分布不均，進而導致制品脫模后發生翹曲現象。

4 結束語

針對航天用大長徑比碳纖維桁架桿件直線度影響因素進行分析，提出了一種改善其直線度的方法，即整體制袋和應用簡支梁模型，并用仿真結果與實際情況進行驗證，應用該方法寬面直線度由0.97mm/m提升到了0.42mm/m，窄面直線度由0.39mm/m提升到了0.18mm/m。

1 許麗丹，王瀾. 碳纖維增強樹脂基復合材料的應用研究[J]. 塑料制造，2007(1)：81～85

2 董廣雨，丁玉梅，楊衛民，等. 連續碳纖維復合材料熱壓成型工藝條件優化研究[J]. 化工新型材料，2018，46(8)：71～74

3 陳紹杰. 復合材料技術與大型飛機[J]. 航空學報，2008，29(3)：605～610

4 陳亞莉.從A350XWB看大型客機的選材方向[J]. 航空制造技術，2009(12)：34～37

5 楊乃賓. 國外復合材料飛機結構應用現狀分析[J]. 航空制造技術，2002(9)：21～22

6 馬立敏，張嘉振，岳廣全，等. 復合材料在新一代大型民用飛機中的應用[J]. 復合材料學報，2015，32(2)：317～322

7 Deng Chao, Jiang Jianjun, Liu Fa, et al. Effects of electrophoretically deposited graphene oxide coatings on inter facial properties of carbon fiber composite[J]. Journal of Materials Science, 2015, 50(7): 5886～5892

8 kinefuchi M, Tsuikj A, Takane H. Development of a Dometype Aluminum Truss Structure.2002, 52(1): 81～86

9 Kappel E, Stefaniak D, Fernlund G. Predicting process-induced distortions in composite manufacturing - A pheno-numerical simulation strategy[J]. Composite Structures, 2015, 120:98～106

10 Twigg G, Poursartip A, Fernlund G. Tool–part interaction incompositesprocessing. Part II: numerical modelling[J]. Composites Part A Applied Science & Manufacturing, 2004, 35(1): 135～141

11 Albert C, Fernlund G. Spring-in and warpage of angled composite laminates[J].Composites Science and Technology, 2002, 62: 1895～1912

12 程文禮，邱啟艷，陳靜. 熱壓罐成型復合材料固化變形機理及控制研究[J]. 材料導報，2012，26：20

13 成大先. 機械設計手冊[M]. 北京：化學工業出版社，2007

14 李楠，成艷娜. 復合材料固化變形的產生機理及其影響因素[J]. 國防制造技術，2017(2)：34～36

Research on Improvement of Straightness of Large Diameter Ratio Carbon Fiber Composite Member Bars for Aerospace

Zhou Dong Dong Bin Ye Qifei Shen Hui Chen Wanxin Huang Wenyu Yang Hao Ye Penghua

(Shanghai Composites Science &Technology Co., Ltd., Shanghai 201112)

This article is aimed at the problem of excessive straightness of carbon fiber truss members with large length to diameter ratio for aerospace. The method of overall bag making and simple beam model were adapted, the influence of the straightness of the member bars of the uniformity of the product temperature and the deflection correction were studied, and the non-isothermal model was established to simulate the influence of straightness and temperature. The results showed that, the simulation results were consistent with the product deformation trend, and the straightness of carbon fiber member bars was obviously improved after taking the above methods, the wide side was raised from 0.97mm/m to 0.42mm/m, the narrow side was raised from 0.39mm/m to 0.18mm/m。

carbon fiber member bars；straightness；overall bag making；simply supported beam model；non-isothermal mod

V261

A

周棟（1991），碩士，材料工程專業；研究方向：航天復合材料工藝研究。

2021-05-20