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发布日期：2025-04-08 06:48 点击次数：105

CIRA弃取获取专利的平行缠绕工艺以及干纤维、硅胶模具和树脂注重阵势制造了轻量化的重载天外部件，减少了东谈主工服务。

用机器东谈主缠绕干碳纤维的阵势制造的中型卫星用中心管和 Vega-C 2/3级间，外传是欧洲航天局（ESA）任务中第一个树脂注重的辐照器结构（图片开端：CIRA 和 ESA）

碳纤维增强团聚物（CFRP）的Anisogrid网壳是最灵验的设想之一，能最猛进程地缓慢航天器重载结构的质料。它们由相交环和螺旋肋（有或莫得薄的外蒙皮）的章程图案组成，提供了面内（膜）和面外（鬈曲）刚度，关于提神在高压载荷下产生屈曲至关进犯。比较之下，均匀的多层壳结构只提供面内刚度，而鬈曲性能则较差。这等于为什么这种壳体通常要用稀疏的结构元件（如纵梁）来支合手，或使用夹层结构来提升刚度，而这又增多了分量、复杂性和资本。

自1980年代以来，CFRP的Anisogrids结构一直是弃取湿纤维缠绕工艺来制造，而自1990年代以来，一直弃取自动化的预浸料铺放时期。关联词，湿法缠绕，这种弃取液态树脂的敞开性工艺却缺少工艺截至，不可精确截至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，需要捏造的螺旋图案在相邻的环之间出动。一种科罚有规画是割断环与选用节点之间的丝束（NLR在ACASIAS名堂中使用后者来生成正交网格），但这还会中断载荷旅途，禁止强度并增多质料。

在夙昔的20年里，Centro Italiano Ricerche Aerospaziali（以下简称CIRA，意大利卡普阿）优化了其CFRP网格结构的设想和制造阵势，包括对预浸料和湿法缠绕进行了优化，以及鼎新了设想分析阵势。到2009年，该公司的平行缠绕时期已获取专利，该时期使用干纤维进行缠绕，然后注重树脂，斥逐可获取一个交汇的Anisogrid结构而无需切割连气儿纤维丝束，也无需弃取捏造的螺旋图案。

CIRA开发的这项工艺精确、极为高效且可扩展，适于变成极薄到极厚的肋（横截面为4-400mm2）。Avio（意大利 Colleferro）已弃取这项时期为2022年首飞的Vega-C天外辐照器制造了2/3级间。自此，CIRA进一步考据了其阵势的可扩展性，分娩了用于卫星的大型中心管和长的仪器吊杆，以及用于辐照器的锥形载荷适配器。

平行缠绕

“夙昔几十年来已推出了制造交错网格结构的诸多阵势。”CIRA的复合材料原型实验室端庄东谈主Felice De Nicola 博士说谈，“咱们但愿分娩出一种一体化的、简便且低资本的产物。咱们还念念通过使用树脂注重来科罚湿法缠绕和预浸料带来的问题，这是一种相等简便的时期。”

CIRA 获取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（以及用于联结的更宽的“黑环”）而无需切割丝束或使用捏造的螺旋图案，所获取的Anisogrids要比疏导结构的复合材料的夹层或蒙皮-纵梁结构至少缓慢了20%的质料且抗压强度更高（图片开端：CIRA 和 ESA）

CIRA弃取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”的专利阵势，该机器东谈主单位端庄实践鼎新的纤维缠绕。“咱们围绕销实践螺旋缠绕，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，弃取一种极为简便的劝诱就能交汇干纤维的肋，这不错保证纤维的直线度，而且依然一个荒谬快的过程。”

这还幸免了切割纤维丝束或使用捏造的螺旋肋图案。“若是你唯有一个千里积头，就像在纤维缠绕中的那样，那么，你就必须有稀疏的螺旋线才气在相邻的环状旅途之间出动。”他解释说，“然而，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暗示，在阴私有硅胶“毯”或板的金属芯轴上进行缠绕，无需舍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阵势。“比较之下，咱们弃取久经锤真金不怕火的时期，大约简便地分娩出可重迭使用的板。咱们在机加工的铝模上使用液态硅胶进行浇铸，由此获取的神志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，不错达成螺旋缠绕而无需切割纤维（图片开端：CIRA 和 ESA）

最近，该小组通过3D打印袖珍的模块化元件，幸免了使用大型的机加工模具。“这么，模具会相等简便——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，并使用疏导的液体硅胶将它们联结起来，变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，这种阵势需要大要100kg的硅胶，“天然并未低廉，但与制造和舍弃数百个三角形的硅胶嵌件比较，它更具资本效益。”

CIRA在螺旋缠绕中使用销亦然对现存时期的适合。“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敞开式结构进行缠绕。”De Nicola 说谈，“在咱们的案例中，它们仅仅鸠合在肋所在之处。因此，咱们只在硅胶板控制角落的芯轴上用了极少的销。天然这很简便，但如实为机器东谈主的头部带来了可操作性，从而大约围绕销进行缠绕。一朝缠绕收尾，注重和固化过程也已完成，咱们只需从芯轴上拧下销即可。”

材料和树脂注重

然后，再将所获取的干的预成型件放入真空袋中并注重树脂。“通常，咱们使用的是中等模量的碳纤维，然而，针对对刚度和热扩展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）。他暗示，干纤维要比预浸料更脆弱，因此，缠绕系统必须要妥善防守好纤维，在应用过程中保合手好张力而不会带来损坏。

至于树脂，CIRA 的研究员和材料群众 Gionvangiuseppe Giusto 博士解释说，需要满盈低的粘度（如大要200 厘泊）才气王人备渗透纤维，尤其是在肋交叉的节点处。“通常，咱们更可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。“咱们锤真金不怕火了一系列的树脂，然后凭证玻璃化诊治温度和工艺参数来进行弃取。通常，咱们是从已合乎天外应用要求的树脂入辖下手进行弃取，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。

在注重过程中，一种步履的分派介质促进了树脂在通盘这个词预成型件中的流动。“咱们使用Airtech（好意思国加利福尼亚州亨廷顿海滩）市售的团聚物网格产物，它通常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暗示：“树脂在纤维体积含量较低的节点之间流动得相等快，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，仍不错看出树脂注关键比树脂传递模塑（RTM）成型更有上风。在RTM工艺中，需要靠压力来推进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。为了缩小时期，在RTM工艺中，通常会使用多个树脂浇注口。而在真空赞助的注重中，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向或厚度地方渗透，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，况兼知谈垂直注重对咱们来说是最简便的。”Giusto 补充谈，“逆重力的地方进行注重有助于摈弃空气、蒸发物善良泡，不然，这些物资可能会淹留。流过肋的流体前卫简直还能联接起来，且流体的行进相等匀速，因此，咱们不再使用流动模子。愚弄分辨介质，树脂会赶紧渗透肋，即使弃取了相对较厚的蒙皮亦然如斯，比如Vega-C级间。”

“对咱们来说，注重这些Anisogrids相等容易，即使结构的高度是3-4m。”Spena说谈。比如，注重直径2m、高2.5m的卫星中心管，大要需要1h。针对该工艺，咱们对预成型件进行了一些优化。昭彰，注重流在通过2mm厚的蒙皮中纤维量较高之处时流速稍慢一些，但也会产生相等好的压实层压结构。”

CIRA准备了一个锥形适配器，用于在注重树脂后进行加热炉固化（图片开端：CIRA 和 ESA）

注重完成后，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，咱们弃取了非热压罐（OOA）固化阵势。”De Nicola 说谈，“咱们的念念法是，开脱热压罐，弃取更具资本效益的工艺。咱们沿肋和节点区域获取了章程的截面而莫得变形。”

这关于解说CIRA的阵势如实不错分娩出高性能的结构同期确保简便性詈骂常进犯的。他暗示：“因为咱们一直在寻求后果——不仅在质料方面，还在进程方面。咱们顺服，Vega-C 级间是欧洲航天局名堂中第一个通过注重树脂制成的重载辐照器结构。”

更低的纤维体积含量和分量，更高的抗压强度

CIRA 的阵势提供了带有交汇肋的完好预成型件，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。“与更步履的50%以上的纤维体积含量比较，咱们达成了34%-40%的纤维体积含量。”CIRA的研究员兼该时期的主要设想工程师 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，从而提升特定的压缩性能。同期，咱们的质料密度约为1400kg/m3，而步履结构的质料密度是1600kg/m3。弱点是，由于纤维体积含量莫得最大化，因此不可获取最大的刚度。但咱们如实最猛进程地提升了比抗压强度，这有助于咱们在压缩载荷下达成最好结构。”

“这强调了咱们的阵势在对强度和屈曲要求严格的应用中是灵验的。”Totaro 说谈，“此外，在碳纤维主导的纵进取，Anisogrid的单向肋展现出极低的热扩展统共（CTE），这为在顶点热条款下要求保合手尺寸自如的应用（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，因此其设想要本旨屈曲要求。”De Nicola说谈，“关于王人备由刚度主导的设想，咱们的Anisogrid结构仍然具有竞争力，但可能不是最灵验的设想。”天然如斯，Totaro指出，关于一样的结构，与使用蒙皮-纵梁或夹层结构制成的复合材料结构比较，CIRA还缓慢了至少20%的质料

更高效地优化Anisogrid

CIRA不仅开发了一种制造Anisogrid的更高效阵势，还开发了一种更高效的设想优化阵势。在Totaro的指挥下，CIRA首先研究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。面外屈曲已得到了样子，但面内屈曲仅仅用一种简化的阵势来样子。因此，咱们开发并考据了更精确的面内模子，它提供了结构后果更高的科罚有规画。”他解释谈。

最终，他们还达成了更高效的举座设想进程。“Anisogrid结构不错使用粗造的设想设置，咱们需要为特定神志（如圆柱体或圆锥体）研究通盘的网格设置，并为每一种神志细则肋的最好横截面，以最猛进程地缓慢网格质料而不产生局部屈曲。”Totaro 说谈，“咱们还必须本旨举座屈曲要求以及举座的结构刚度和强度要求。”最终，该设想过程包括3个主要阶段。

1. 参数研究。针对圆柱体或圆锥体的每一种可能的设想设置是由一定数目的、阻隔章程的环和螺旋肋来界说的，同期也界说了螺旋角，这是基本的设想变量。环和螺旋肋的厚度与宽度对每一种设置作了进一步的表征。

“咱们对设想设置进行了某种参数化的研究，关于每一种设置，咱们都会细则最小的质料选项。”Totaro 说谈，“基本上，咱们开展一项大型的参数化研究来细则通盘这个词设想空间。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获取可能设置的举座情况。”

该分析弃取的是Matlab Optimization Toolbox 软件（MathWorks，好意思国马萨诸塞州纳蒂克）中的拘谨最小化法子，规画是最猛进程地缓慢网格壳的质料。拘谨方程由分解模子暗示，这些模子雷同于结构的刚度属性和多样失效机制。每一种设置都得到单独优化。“然后，为Anisogrid的六边形和三角形单位系统制定特定的分解模子，这么，咱们就大约识别屈曲机制并了解以前被低估的环肋的作用。”Totaro 说谈，“咱们还分解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。它还匡助细则了蒙皮层压板的最好铺叠规定。这些模子通常是使用Maple软件（Maplesoft，加拿大安大略省滑铁卢）制定的。”

CIRA 的三阶段设想优化阵势探索了Anisogrid参数（左），以向下弃取最好设置，用于开展简便的有限元分析，从而为最终的 3D CAD 应力分析输出最好设置（右）（图片开端：CIRA 和 ESA）

2. 简便的有限元模子。一朝细则了达成最轻质料的最好候选有规画，该有规画就会被转动为有限元模子，该模子由简便的一维“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，规画仅仅为了考据预期的刚度和强度性能是否能合理达成，并有可能用于应付调整肋的横截面或蒙皮的铺叠规定，最终完善该科罚有规画。”Totaro 说谈。基于为 Nastran 求解器（可从多个供应商处获取）构建输入文献的特定规程，此过程相对较快。“然后，咱们进行更详细的分析并再次向下弃取。”Totaro 说谈，“在细则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，将最终的设想转动为三维CAD 模子，这为工装制造和界说分娩工艺（芯轴、模具、接口）以及构建最终的三维有限元模子以进行可贵的应力-应变分析提供了基本的输入文献。在该阶段，领先从以前的简化版块中被摈弃的通盘材料属性和附加结构元素都被引入到有限元模子中进行分析。

因此，通过简化下选过程，不错最猛进程地减少耗时的高诡计分析并快速完成，但该过程仍要推敲对Anisogrid的结构行动最为进犯的性能身分。

“Totaro多年的开发匡助CIRA很好地领会了Anisogrids的分析模子。”De Nicola 说谈，“而这依然一个相等快的过程。这些模子很复杂，但也弃取了半分解时局，是以软件不错快速反映运行优化斥逐，然后，咱们就不错使用步履的有限元阵势对其进行优化。从一动手，咱们就奋发对Anisogrid结构行动进行实在的了解，这并不常见。咱们莫得一个带有需要优化的宽泛单位的通用模子，而是领有网格结构行动的特定常识。一样，这指令咱们开发了新的设想阵势，为轻量化和高效化带来了新的契机。”

脱模

De Nicola暗示，关于锥形结构或大型圆柱体而言，在注重树脂且固化后，取出芯轴通常不是问题。“咱们可能难以处理像吊杆这么的细长圆柱体，这需要一个机械索要安设来移除芯轴，但通常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，铝芯轴的扩展有助于部件固化，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展性，这在固化过程中还有助于压实材料。“咱们将这种扩展推敲进来，以便正确地细则复合材料肋的尺寸。”

部件取出后，去除剥离层，便可获取名义质料高的制品。关于无蒙皮的复合材料Anisogrids而言，去除其肋间赋闲处的固化树脂膜是很容易的。“它相等薄，唯有十分之几毫米厚，而且分辨在通盘这个词名义上，不错在几分钟内把它切掉或敲掉。”

完成的 CFRP Anisogrid臂结构（图片开端：CIRA 和 ESA）

越来越多的应用

从大型结构到袖珍结构，CIRA已解说了其设想和制造阵势的才略和多用性，用于 Vega-C天外辐照器的直径2.4m、长2m的2/3级间等于一个枢纽例证。“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融合，熟化并加速了这一过程。2018年，在凯旋完成测试（包括鬈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，任务在第二次辐照后暂停。Vega-C 缱绻于2024 年晚些时候规复飞翔，并在2025年实践密集的辐照缱绻。

CIRA 还制造了一款长0.64m、直径1.4m的锥形适配器，质料仅为7kg，比CFRP参考有规画要轻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相等好，达成了对应变传感器的精确阴私，从而不错更好地了解结构行动并考据结构的可贵的有限元模子。”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，还达成了低于14kg/m的比质料，这要比传统的复合材料壳体结构轻20%。

CIRA弃取的机器东谈主缠绕、树脂注重和非热压罐固化的阵势，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畴昔航天应用的更粗造的结构（图片开端：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，按两个地方缠绕的纤维为螺栓联结提供了承载强度。“这些环通常沿壳体结构的角落引入，动作与相邻组件的法兰的接口。”Totaro 说谈，“它们还被集成到需要对子结点进行局部加固的结构中。为缓慢质料，咱们不错活泼地集成与肋同高（径向厚度）或深度减小（如径向厚度唯有一半或更小）的黑环。”

环向缠绕的黑环要比环肋宽，它为螺栓联结提供了联结点（图片开端：CIRA 和 ESA）

CIRA最新的法式是一个直径120mm、长1.5m的细长的CFRP Anisogrid吊杆段，用于可张开式卫星天线。其设想要求在受热现象下确保尺寸自如性，以及具有高的刚度/分量比。CIRA 弃取细肋（横截面为1.5mm×3.6mm），达成了0.5kg/m的比质料。“为了以均匀的蒙皮达到相似的质料，要求层压板仅厚1mm或更薄，这就使得达成理念念的铺叠规定以本旨刚度、CTE 和强度等轮廓要求变得愈加坚苦。”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料而具有极强的抗毁伤性。咱们更为高效的设想阵势与咱们的制造阵势相结合，使得复合材料的Anisogrids成为更实用的有规画，不仅适用于航天器，还适用于更粗造的航天应用。咱们看到了咱们的设想和制造阵势的弘大后劲，畴昔，咱们将陆续开发更轻、更高效的复合材料结构。”

原文运动：

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

实践翻译：苏州空天复材团队

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