鄧 華 高軍鵬 安學(xué)鋒 閆 麗 包建文

(1 中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司，北京 101300) (2 中航工業(yè)復(fù)合材料技術(shù)中心，北京 101300) (3 先進(jìn)復(fù)合材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095)

0 引言

碳纖維復(fù)合材料具有較高的比強(qiáng)度和比模量，在航空航天領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在航天領(lǐng)域，由于航天器發(fā)射尺寸的限制，以及在外太空裝配施工的困難，空間可展開(kāi)太陽(yáng)帆、桁架和天線等大型結(jié)構(gòu)在發(fā)射前必須折疊，當(dāng)?shù)竭_(dá)預(yù)定軌道后經(jīng)可靠的展開(kāi)過(guò)程達(dá)到工作狀態(tài)，其中鉸鏈?zhǔn)菍?shí)現(xiàn)空間結(jié)構(gòu)展開(kāi)的重要功能單元。目前，航天可展開(kāi)結(jié)構(gòu)使用了大量的金屬鉸鏈，多采用高彈性金屬材料，雖然剛性和穩(wěn)定性滿足系統(tǒng)要求，但其質(zhì)量因素不可忽視。與之相比，可自展開(kāi)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)具有較高的比強(qiáng)度、比模量和功率-質(zhì)量比，其在變形量、響應(yīng)速度、控制模式及穩(wěn)定性方面與金屬結(jié)構(gòu)相當(dāng)，可有效降低發(fā)射成本，是航天可自展開(kāi)結(jié)構(gòu)的理想候選結(jié)構(gòu)單元，同時(shí)為建造超輕量化的空間結(jié)構(gòu)提供了一種新途徑。

目前，國(guó)外在可自展開(kāi)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)領(lǐng)域開(kāi)展了較多的研究工作，美國(guó)CTD公司開(kāi)展了形狀記憶復(fù)合材料鉸鏈結(jié)構(gòu)的研究，并進(jìn)行了性能測(cè)試與功能驗(yàn)證[1-3]，該結(jié)構(gòu)在熱驅(qū)動(dòng)下完成展開(kāi)過(guò)程，對(duì)加熱裝置提出了較高的要求。形狀記憶復(fù)合材料鉸鏈結(jié)構(gòu)不需要復(fù)雜的機(jī)械驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，一體化程度高。英國(guó)劍橋大學(xué)研究人員[4]開(kāi)展了碳纖維復(fù)合材料卷尺彈簧鉸鏈的研究，其材料體系為碳纖維織物G801/913環(huán)氧樹(shù)脂體系，纖維面密度為98 g/m2，采用[±45°]2鋪層方式，內(nèi)徑為38 mm，厚度為0.2 mm，開(kāi)口長(zhǎng)度為140 mm，初始驅(qū)動(dòng)力矩約100 N·m，平均穩(wěn)定力矩為80 N·mm，鉸鏈可在約140°的范圍內(nèi)變化。土耳其Afyon Kocatepe大學(xué)的?mer Soykasap等人[5]開(kāi)展了類(lèi)似的研究，使用的材料體系為T(mén)300碳纖維平紋織物/聚醚酰亞胺(PEI)，制備了一個(gè)長(zhǎng)1 m、厚0.36 mm、半徑20 mm的碳纖維復(fù)合材料卷尺彈簧鉸鏈，鋪層方式為[±45°]3，開(kāi)口長(zhǎng)度為165 mm。德國(guó)宇航局(DLR)開(kāi)展了可折疊復(fù)合材料薄壁支撐桿研究，長(zhǎng)度為14 m，橫截面呈豆莢狀，實(shí)現(xiàn)了400 m2薄膜太陽(yáng)帆的展開(kāi)[6-8]。

采用復(fù)合材料薄壁結(jié)構(gòu)可有效降低復(fù)合材料大變形后的應(yīng)力水平，保證結(jié)構(gòu)在折疊過(guò)程中不發(fā)生破壞。采用薄層預(yù)浸料可給予復(fù)合材料結(jié)構(gòu)更多的力學(xué)設(shè)計(jì)自由度，在給定厚度的前提下可以有更多的鋪層層數(shù)和角度選擇，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料超輕薄壁結(jié)構(gòu)的高性能化。同時(shí)，使用薄層預(yù)浸料制備的復(fù)合材料被證實(shí)具有較高的層間性能和損傷阻抗性能[9-11]。本文基于雙凸透鏡狀構(gòu)型與薄層預(yù)浸料技術(shù)制備一種高功率-質(zhì)量比的復(fù)合材料可自展開(kāi)桿，以適用于要求橫截面尺寸小的空間可展開(kāi)結(jié)構(gòu)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料

T300碳纖維/中溫環(huán)氧樹(shù)脂預(yù)浸料，厚度分別為0.04和0.1 mm，中航工業(yè)復(fù)合材料技術(shù)中心研制；SY-37室溫固化環(huán)氧糊狀膠黏劑，北京航空材料研究院產(chǎn)品。

1.2 結(jié)構(gòu)形式

復(fù)合材料柔性鉸鏈為雙凸透鏡狀構(gòu)型，截面尺寸如圖1所示。

圖1 復(fù)合材料鉸鏈的橫截面尺寸

1.3 可自展開(kāi)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料桿的制備

(1)復(fù)合材料圓管的鋪層為[45°/0°2/-45°/0°2/-45°/0°2/45°]，厚度為1 mm。按設(shè)計(jì)尺寸裁切預(yù)浸料，用專(zhuān)用工裝將預(yù)浸料按鋪層順序鋪貼到金屬模具表面，鋪貼完成后用真空袋封裝，轉(zhuǎn)移到熱壓罐內(nèi)，起始加壓到0.35 MPa，保持壓力按125 ℃/2 h完成固化，自然降至室溫，脫模，按所需尺寸進(jìn)行裁切。

(2)復(fù)合材料柔性鉸鏈的鋪層為[45°/-45°/45°/-45°/0°/-45°/45°/-45°/45°]，按設(shè)計(jì)尺寸裁切預(yù)浸料，將預(yù)浸料按鋪層順序鋪貼到金屬模具上，鋪貼完成后用真空袋封裝，轉(zhuǎn)移到烘箱內(nèi)，抽真空至-95 kPa以下，真空度保持在-95 kPa以下按125℃/2 h完成固化，自然降至室溫，脫模，將制件尺寸裁切為長(zhǎng)145 mm，沿圓周方向的弧長(zhǎng)為25 mm。

(3)法蘭采用鋁合金機(jī)械加工而成，用600目的砂紙打磨圓管、鉸鏈和金屬法蘭的膠接面并用丙酮清洗，采用SY-37室溫固化環(huán)氧膠黏劑將圓管、鉸鏈和金屬法蘭進(jìn)行膠接，膠接時(shí)采用定位工裝保證所有部件的同軸度。經(jīng)室溫固化24 h后轉(zhuǎn)移到烘箱內(nèi)，按60 ℃/2 h完成后處理。制備得到的可自展開(kāi)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料桿如圖2所示。

圖2 可自展開(kāi)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料桿

1.4 性能分析

1.4.1鉸鏈初始展開(kāi)力矩測(cè)試

將復(fù)合材料桿上的鉸鏈完全折疊并一端固支，用測(cè)力計(jì)(AN-100，容量：100 N)測(cè)試另一端的張力F，測(cè)試點(diǎn)距鉸鏈頂端的垂直距離為L(zhǎng)，復(fù)合材料鉸鏈初始展開(kāi)力矩M=F·L，本文L=64 mm。

1.4.2固有頻率測(cè)試

采用懸臂梁振動(dòng)方法測(cè)量可自展開(kāi)復(fù)合材料桿的固有頻率，使用測(cè)試儀器為激光多普勒測(cè)振儀(德國(guó)Polytech公司)，將復(fù)合材料桿的一端用固支在試驗(yàn)臺(tái)上，激振器(音箱)對(duì)準(zhǔn)復(fù)合材料桿的自由端(試驗(yàn)載荷為200 g)并保持一定的間隙(約10 mm)。開(kāi)啟激振信號(hào)源，對(duì)被測(cè)物體施加交變正弦激振力，使之產(chǎn)生振動(dòng)。由激光多普勒測(cè)振儀測(cè)得自由端上測(cè)點(diǎn)位移速度表示桿振動(dòng)速度，激勵(lì)信號(hào)和響應(yīng)信號(hào)輸入到電腦分析軟件，可以得到所需的固有頻率和模態(tài)振型。

圖3 激振試驗(yàn)方案

1.4.3折疊展開(kāi)重復(fù)指向精度試驗(yàn)

在平臺(tái)上開(kāi)展可自展開(kāi)復(fù)合材料桿的折疊展開(kāi)試驗(yàn)，如圖4所示。將復(fù)合材料桿根部固支在測(cè)試平臺(tái)的一側(cè)，采用安裝有四個(gè)萬(wàn)向輪的活動(dòng)支架在載荷處支撐，模擬無(wú)重力狀態(tài)，將復(fù)合材料桿折疊后自由釋放，驗(yàn)證復(fù)合材料桿的折疊展開(kāi)功能并測(cè)試桿件的重復(fù)指向精度，本文定義復(fù)合材料桿折疊展開(kāi)10次過(guò)程中的最大指向角度偏差為重復(fù)指向精度。用數(shù)顯千分表(精度為2 μm)測(cè)試自由端的幾何位置并記錄位置數(shù)據(jù)，重復(fù)展開(kāi)10次，得到測(cè)點(diǎn)位置的位移量ΔL，測(cè)點(diǎn)距離與支座安裝面距離r為1 230 mm，指向角度偏差θp計(jì)算公式為：

(1)

圖4 折疊展開(kāi)精度試驗(yàn)裝置示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 鉸鏈初始展開(kāi)力矩

鉸鏈初始展開(kāi)力矩測(cè)試結(jié)果如表1所示。結(jié)果表明：鉸鏈的初始力矩(M)平均值為372.8 N·mm，驅(qū)動(dòng)載荷(p)平均值為5.8 N，鉸鏈的平均質(zhì)量(m)為28 g，可計(jì)算鉸鏈的功重比(pwr=M/m)為13.3 W/kg，鉸鏈在地面上可驅(qū)動(dòng)大約為自身質(zhì)量20倍的負(fù)載，表明復(fù)合材料柔性鉸鏈具有較高的驅(qū)動(dòng)力矩。

表1 初始展開(kāi)力矩

2.2 固有頻率

選擇了兩個(gè)激振方向，在垂直于鉸鏈開(kāi)口方向，激振頻率在0～100 Hz，結(jié)果如圖5所示，得到第一、二和三階固有頻率，可見(jiàn)一階固有頻率小于10 Hz。在結(jié)構(gòu)振動(dòng)中，低階頻率更容易被外界激勵(lì)起來(lái)，為準(zhǔn)確分析結(jié)構(gòu)的一階固有頻率，選擇激振頻率在0～10 Hz進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果如圖6所示。

圖5 固有頻率共振試驗(yàn)

圖6 一階固有頻率

Fig.6 First order natural frequency

從兩個(gè)方向激振可展開(kāi)復(fù)合材料桿的一階固有頻率均為4.25 Hz，結(jié)果證明了桿件的固有頻率與測(cè)試采用的激振方向沒(méi)有關(guān)系，反映的是結(jié)構(gòu)的固有屬性。

2.3 重復(fù)指向精度

復(fù)合材料桿在測(cè)試平臺(tái)一側(cè)固定并折疊至收攏狀態(tài)，如圖7所示。經(jīng)10次折疊和自由釋放，復(fù)合材料桿的指向角度偏差結(jié)果如表2所示，最大指向角度偏差為0.08°，即為復(fù)合材料桿的重復(fù)指向精度，表明具有雙凸透鏡構(gòu)型鉸鏈的可展開(kāi)復(fù)合材料桿結(jié)構(gòu)剛度較高。復(fù)合材料鉸鏈部分在桿件折疊過(guò)程中實(shí)現(xiàn)了大變形，在展開(kāi)過(guò)程中未發(fā)生破壞，表明鉸鏈?zhǔn)褂玫膹?fù)合材料具有較好的韌性。

圖7 復(fù)合材料桿折疊狀態(tài)

序號(hào)位移偏差ΔL/mm指向角度偏差θp/(°)10．40．0220．50．0231．80．0841．10．0551．00．0560．90．0471．60．0780．80．0490．00．00100．20．01

3 結(jié)論

(1)采用分塊化的設(shè)計(jì)和制造方法，即分別設(shè)計(jì)和制備復(fù)合材料普通圓管和柔性鉸鏈，通過(guò)膠接將兩者組裝得到可自展開(kāi)復(fù)合材料桿件。

(2)復(fù)合材料鉸鏈的初始展開(kāi)力矩為372.8 N·mm，功重比為13.3 W/kg，在地面上可驅(qū)動(dòng)大約為自身質(zhì)量20倍的負(fù)載。

(3)可自展開(kāi)復(fù)合材料桿件通過(guò)了10次折疊展開(kāi)試驗(yàn)，測(cè)試過(guò)程中鉸鏈未發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞，具有較好的韌性。桿件的重復(fù)指向精度為0.08°，一階固有頻率為4.25 Hz，在展開(kāi)狀態(tài)下具有較高的剛度。

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