CN101396871A - 基于复合材料的折叠式可展开结构的制备方法和性能表征 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于复合材料结构的制备技术领域的一种基于复合材料的折叠式可展开结构的制备方法和性能表征。首先制备复合材料结构试件，通过对复合材料的折叠式可展开结构性能表征参数：横截面半径R，对应圆心角θ，以及折叠后形成的折叠半径r的测量和理论模型的研究，给出了一个简明的预测双稳态结构形状的公式。本发明通过具体实验，建立理论模型，验证了具有双稳态性质的复合材料结构必须满足反对称铺层方式，对称铺层的复合材料结构在弯曲中会伴随着扭转产生而不具有双稳态性质。

Description

基于复合材料的折叠式可展开结构的制备方法和性能表征

技术领域

本发明属于复合材料结构的制备技术领域，特别涉及用于航空航天领域的一种基于复合材料的折叠式可展开结构的制备方法和性能表征。

技术背景

自从美国在上个世纪80年代尝试着在太空中人工组装结构的试验之后，国际上公认基于折叠式可展开结构的设计是目前唯一可行的制造大型太空结构的办法。因此，各种可展开机构或折叠机构成为航天领域关注的研究领域。可展开结构具有两个稳定状态即双稳态，双稳态是指结构具有延展和折叠两个特征状态，结构无需永久变形即能被折叠，同时可以通过释放控制折叠过程储存的能量，结构可以自行展开(参考聂国华，顾欣的“复合材料壳体结构的双稳态特性研究”《中国力学学会学术大会》2005)。根据制造这种结构原材料的不同，折叠可展开结构可以分为许多类如钢折叠结构、铝合金折叠结构、木折叠结构、塑料折叠结构和碳纤维折叠结构等，而其中碳纤维折叠结构由于其轻质高强度等优良特性倍受人们的关注，利用碳纤维复合材料制成的可以在微重力或失重状态下使用的航天结构如可展开卫星天线、太空电池板、可延展探测器和空间伸展臂结构等(参考颜卫亨，计飞翔，张茂功“折叠结构体系及类型”《建筑科学与工程学报》2006.12)。

国外早在1966年Rimrott用各向同性的金属材料制成了一种薄圆柱壳状结构，被称之为片状弹簧(tape springs)，通过研究这种结构在弯曲折叠过程中的变形情况，发现它们并不具有双稳态性质。2003年Pellegrino将碳纤维增强塑料(CFRP)引入薄壳结构，并做了相应的力学性能测试(参考J.C.H.Yee and S.Pellegrino“Foldable composite structure”.《Department ofEngineering》.2003)之后，Galletly、Guest和Pellegrino等人分别在2004～2006年建立了各自的理论模型，指出反对称铺设的复合材料薄壳结构具有双稳态性质，而对称铺设方式则没有(参考Diana A.Galletly，Simon D.Guest Bistablecomposite slit tubes.I.A beam model International Journal of Solids andStructures 41(2004)4517-4533和Diana A.Galletly，Simon D.GuestBistable composite slit tubes.II.A shell model International Journalof Solids and Structures 41(2004)4503-4516)。Pellegrino等人在2003年之后陆续做了一些实验，主要是测定双稳态复合材料薄壳结构在折叠过程中的应力应变情况，讨论不同铺层方式对应变的影响(参考J.C.H.Yee，S.Pellegrino.Folding of woven composite structures.Composites：Part A 36(2005)273-278；Sergio Pellegrino.Bistable Shell Structures.46thAIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC Structures，Structural Dynamics & MaterialsConference.2005和S.D.GUEST AND S.PELLEGRINO Analytical models forbistable cylindrical Shells.Proc.R.Soc.A2006.1)。但是在关于实验测定弯曲过程中的试件纵向截面形貌变化方面的研究工作并未开展。直到2005～2006年，我国才有一些作者如哈尔滨工业大学的王友善、谢志民，北京航空航天大学的卢子兴，刘振国等人也对碳纤维增强复合材料薄壳(板)进行过相应的折叠实验，观测其强度和损伤情况(参考刘宇艳，朱琦，万志敏，王友善，杜星文等“用于可充气展开结构的热固性复合材料耐折叠性能研究”.《宇航材料工艺》.2005)。目前国内外尚无任何实验测试双稳态结构的折叠形貌变化。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于复合材料的折叠式可展开结构的制备方法和性能表征。

所述复合材料结构试件的制备

1)原材料的选取

选用单层厚度为0.3mm的碳纤维预浸布；

2)模具的设计

模具采用45钢为原材料，采用对模结构，分为凸模和凹模，其中凹模又采用拼装模的结构，模具的工作面的表面粗糙度要求为0.8，以实现复合材料试件的顺利脱模。

3)脱模剂的配制

选用聚乙烯醇、无水乙醇和蒸馏水为原材料，配制方法：将5份的聚乙烯醇用45份的蒸馏水浸泡24小时，然后将该混合物从室温缓慢地加热到80°C，加热时间2个小时，边加热边用玻璃棒搅拌，使其均匀受热，保温，直到其完全溶解；待其冷却至室温后，再用滴管缓慢滴加50份的无水乙醇，边加边搅拌，以防止结块，完全加入后过滤，装瓶即可使用；

4)固化成型

先将模具用无水乙醇进行表面清洁，然后均匀地涂刷脱模剂，待脱模剂彻底干燥成膜后，再将裁剪好的碳纤维预浸布按照±45°方向双层铺设于模具后合模，最后将模具放入加热装置中加热，当温度达到80℃时取出模具重新拧紧螺栓，然后保持恒温120℃固化两个小时，炉冷至室温脱模。

5)脱模和后处理

固化过程结束后，从模具中脱模取出复合材料结构试件，再对复合材料结构试件进行表面和边角修整，即得到碳纤维的复合材料结构试件。

所述碳纤维预浸布由含量为45wt％环氧树脂和含量为55wt％纤维布组成。

所述复合材料的折叠式可展开结构能表征，主要包括：横截面半径R，对应圆心角θ，以及折叠后形成的折叠半径r；理论模型的研究给出了一个简明的预测双稳态结构形状的公式：

$\frac{r}{R}=\frac{D_{11}}{D_{12}}$

其中D₁₁和D₁₂为材料的弯曲刚度，这一公式指出了复合材料薄壳结构的双稳态构型只与材料性质和铺层方式有关，对双稳态复合材料的研究、制造及实验有很好的指导作用。

1)待测试件的加工

将上面得到的复合材料结构试件的两端各留10mm长度作为实验夹持部分，中间100mm长度分别加工成剖片弧度为70°、90°和120°的剖片，在剖片与夹持部分连接处加工出半径为3mm的倒角，以避免试件折叠时产生集中应力。

2)弯曲测试

由于试件在折叠的过程中位移和变形量都很大，一般的光测实验方法很难进行测试，于是采用电测方式对折叠过程中的变形情况进行测量，在试件的中心点上粘贴一个BY120-3CA应变花来测量折叠过程中的应变数据；将复合材料结构试件用压头固定在万能试验机上，实验中，万能试验机的压力通过一个转轴对试件进行偏心加载，试件会从受单向压缩状态迅速失稳开始弯曲，从而实现对试件的弯曲加载。

3)实验数据的采集

大变形弯曲过程中采用YE2539高速静态应变仪采集应变数据，同时采用高像素数码相机定时拍摄试件在弯曲过程中纵截面的形貌变化，以便分析试件的纵向弯矩变化情况；弯曲回弹过程采用采用SDA—830C动态电阻应变仪测量采集动态应变数据；

4)实验数据的分析

a)载荷分析，通过BK-2F型力传感器得到实验中所加载的实验载荷；

b)应变分析，通过静态和动态应变仪软件直接搜集到实验过程中的应变数据；

c)纵向曲率半径和弯矩分析，通过对数码照相机拍摄的试件在弯曲过程中的纵向弯曲形貌照片的处理，利用三点法对实验过程中拍摄的试件纵截面形貌照片进行处理，在每张照片上试件的弯曲部分找三个点，用三点法找出弯曲段圆弧对应的圆心，然后就可测得此时的纵向弯曲半径和对应的力臂，然后再结合当时的试验机传感器搜集的载荷就可得到对应时刻的纵向弯矩，测出试样在弯曲过程中的纵向曲率半径变化，进而得到相应的弯矩变化情况，从而验证预测双稳态结构形状的公式：

$\frac{r}{R}=\frac{D_{11}}{D_{12}}$

本发明的有益效果是通过上述具体实验，建立理论模型，验证了具有双稳态性质的复合材料结构必须满足反对称铺层方式，对称铺层的复合材料结构在弯曲中会伴随着扭转产生而不具有双稳态性质。

附图说明

图1复合材料固化成型用的模具示意图。

图2碳纤维复合材料双稳态结构试件。

图3贴好应变花的待测碳纤维试件。

图4双稳态复合材料薄壳结构性能表征示意图。

图5碳纤维试件的载荷位移关系。

图6两种剖片弧度的碳纤维横向应变与时间关系。

图7两种剖片弧度的碳纤维纵向应变与时间关系

图8两种剖片弧度的碳纤维纤维方向应变与时间关系

图9试件的纵向曲率半径r和力臂1的测试示意图

图10碳纤维试件弯曲过程中曲率半径与时间关系。

图11两种剖片弧度的碳纤维弯曲过程中的弯矩与时间关系。

图12两种剖片弧度的碳纤维试件动态回弹过程中横向应变与时间关系。

图13两种剖片弧度的碳纤维试件动态回弹过程中纤维方向应变与时间关系。

图14两种剖片弧度的碳纤维试件动态回弹过程中纵向应变与时间关系。

具体实施办法

1.复合材料结构试件—双稳态薄壁圆柱壳结构的制备：

1)原材料的选取

选用北京航空材料研究所生产的碳纤维预浸布(单层厚度为0.3mm)，其中环氧树脂含量为45wt％，纤维布含量为55wt％。

2)模具(图1)的设计与加工

模具采用45钢为原材料，模具采用对模结构，分为凸模1和凹模2，其中凹模又采用拼装模的结构，模具的工作面的表面粗糙度要求为0.8，主要目的是为了是实现复合材料试件的顺利脱模。

3)脱模剂的配制

选用聚乙烯醇、无水乙醇和蒸馏水为原材料，配制方法：将5份的聚乙烯醇用45份的蒸馏水浸泡24小时，然后将该混合物从室温缓慢地加热到80°C，加热时间大概2个小时，边加热边用玻璃棒搅拌，使其均匀受热，保温，直到其完全溶解。待其冷却至室温后，再用滴管缓慢滴加50份的无水乙醇，边加边搅拌，以防止结块。完全加入后过滤，装瓶即可使用。

4)固化成型

)固化成型

先将模具用无水乙醇进行表面清洁，然后用特制的刷子均匀地涂刷脱模剂，待脱模剂彻底干燥成膜后，再将裁剪好的碳纤维预浸布按照±45°方向双层铺设于模具后合模，最后将模具放入加热装置中加热，当温度达到80℃时取出模具重新拧紧螺栓，然后保持恒温120℃固化两个小时，炉冷至室温脱模。

5)脱模和后处理

固化过程结束后取出模具脱模，脱模顺利完成成后再对试件进行表面和边角修整即可得到碳纤维复合材料试件3(图2)。

2.性能表征过程，由于折叠结构应用的主要目的是减少存储空间，故双稳态复合材料薄壳结构的主要性能表征为：横截面是半径R，对应圆心角θ，以及折叠后形成的折叠半径(如图4所示)。理论模型的研究给出了一个简明的预测双稳态结构形状的公式：

$\frac{r}{R}=\frac{D_{11}}{D_{12}}$

其中D₁₁和D₁₂为材料的弯曲刚度，这一公式指出了复合材料薄壳结构的双稳态构型只与材料性质和铺层方式有关，对双稳态复合材料的研究、制造及实验有很好的指导作用。

后续的实验中，试件的横截面是半径R为20mm，对应的圆心角有70°和90°两种。实验中测得的折叠半径r(如图4所示)。

1)待测试件(图3)的加工

试件3的两端各留10mm长度作为实验夹持部分，中间100mm长度分别加工成剖片弧度为70°、90°和120°的剖片。在剖片与夹持部分连接处加工出半径为3mm的倒角，以避免试件折叠时产生很大的集中应力。

2)弯曲测试

由于试件在折叠的过程中位移和变形量都很大，一般的光测实验方法很难进行测试，于是采用电测方式对折叠过程中的变形情况进行测量，在试件的中心点上粘贴一个BY120-3CA应变花4(图3)来测量折叠过程中的应变数据；将复合材料结构试件用压头固定在万能试验机上，实验中，万能试验机的压力通过一个转轴对试件进行偏心加载，试件会从受单向压缩状态迅速失稳开始弯曲，从而实现对试件的弯曲加载。

3)实验数据的采集

大变形弯曲过程中采用YE2539高速静态应变仪采集应变数据，同时采用高像素数码相机定时拍摄试件再弯曲过程纵纵截面的形貌变化，以便分析试件的纵向弯矩变化情况；弯曲回弹过程采用采用SDA—830C动态电阻应变仪测量采集动态应变数据。

4)实验数据的分析

a)载荷分析(图5)

通过BK-2F型力传感器可以得到实验中所加载的实验载荷。

b)应变分析(图6～图8、图12～图14)

通过静态和动态应变仪软件可以直接搜集到实验过程中的应变数据

c)纵向曲率半径和弯矩分析(图9～图11)

通过对数码照相机拍摄的试件在弯曲过程中的纵向弯曲形貌照片的处理，可以用三点法测出试样在弯曲过程中的纵向曲率半径变化，进而也可以得到相应的弯矩变化情况。

5)可展开结构的制作和动态展开过程的拍摄

从前面制得的复合材料试件取出三个较好的碳纤维试件，作为可展开结构的连接件，然后用碳纤维复合材料管制得四段尺寸合适的壳片作为可展开结构的骨架，然后将两者用配制好的强力胶粘贴好，待胶完全固结好后即可进行结构的动态展开拍摄。采用的拍摄仪器是高速摄像机，为了保证画面清晰采用的是短焦距的镜头，分辨率设置为最高(1280*1024)，拍摄速度设置为60帧/秒。

Claims (3)

1.一种基于复合材料的折叠式可展开结构的制备方法，其特征在于，所述复合材料结构试件的制备，

1)原材料的选取

选用单层厚度为0.3mm的碳纤维预浸布；

2)模具的设计

模具采用45钢为原材料，采用对模结构，分为凸模和凹模，其中凹模又采用拼装模的结构，模具的工作面的表面粗糙度要求为0.8，以实现复合材料试件的顺利脱模；

3)脱模剂的配制

选用聚乙烯醇、无水乙醇和蒸馏水为原材料，配制方法：将5份的聚乙烯醇用45份的蒸馏水浸泡24小时，然后将该混合物从室温缓慢地加热到80℃，加热时间2个小时，边加热边用玻璃棒搅拌，使其均匀受热，保温，直到其完全溶解；待其冷却至室温后，再用滴管缓慢滴加50份的无水乙醇，边加边搅拌，以防止结块，完全加入后过滤，装瓶即可使用；

4)固化成型

先将模具用无水乙醇进行表面清洁，然后均匀地涂刷脱模剂，待脱模剂彻底干燥成膜后，再将裁剪好的碳纤维预浸布按照±45°方向双层铺设于模具后合模，最后将模具放入加热装置中加热，当温度达到80℃时取出模具重新拧紧螺栓，然后保持恒温120℃固化两个小时，炉冷至室温脱模；

5)脱模和后处理

固化过程结束后，从模具中脱模取出复合材料结构试件，再对复合材料结构试件进行表面和边角修整，即得到碳纤维的复合材料结构试件。

2.根据权利要求1所述基于复合材料的折叠式可展开结构的制备方法，其特征在于，所述碳纤维预浸布由含量为45wt％环氧树脂和含量为55wt％纤维布组成。

3.权利要求1所述复合材料的折叠式可展开结构性能表征，其特征在于，所述复合材料的折叠式可展开结构性能表征包括：横截面半径R，对应圆心角θ，以及折叠后形成的折叠半径r；理论模型的研究给出了一个简明的预测双稳态结构形状的公式：

$\frac{r}{R}=\frac{D_{11}}{D_{12}}$

其中D₁₁和D₁₂为材料的弯曲刚度，这一公式指出了复合材料薄壳结构的双稳态构型只与材料性质和铺层方式有关，对双稳态复合材料的研究、制造及实验有很好的指导作用；具体步骤为：

1)待测试件的加工

将上面得到的复合材料结构试件的两端各留10mm长度作为实验夹持部分，中间100mm长度分别加工成剖片弧度为70°、90°和120°的剖片，在剖片与夹持部分连接处加工出半径为3mm的倒角，以避免试件折叠时产生集中应力。

2)弯曲测试

由于试件在折叠的过程中位移和变形量都很大，一般的光测实验方法很难进行测试，于是采用电测方式对折叠过程中的变形情况进行测量，在试件的中心点上粘贴一个BY120-3CA应变花来测量折叠过程中的应变数据；将复合材料结构试件用压头固定在万能试验机上，实验中，万能试验机的压力通过一个转轴对试件进行偏心加载，试件会从受单向压缩状态迅速失稳开始弯曲，从而实现对试件的弯曲加载。

3)实验数据的采集

大变形弯曲过程中采用YE2539高速静态应变仪采集应变数据，同时采用高像素数码相机定时拍摄试件在弯曲过程中纵截面的形貌变化，以便分析试件的纵向弯矩变化情况；弯曲回弹过程采用采用SDA—830C动态电阻应变仪测量采集动态应变数据；

4)实验数据的分析

a)载荷分析，通过BK-2F型力传感器得到实验中所加载的实验载荷；

b)应变分析，通过静态和动态应变仪软件直接搜集到实验过程中的应变数据；

c)纵向曲率半径和弯矩分析，通过对数码照相机拍摄的试件在弯曲过程中的纵向弯曲形貌照片的处理，利用三点法对实验过程中拍摄的试件纵截面形貌照片进行处理，在每张照片上试件的弯曲部分找三个点，用三点法找出弯曲段圆弧对应的圆心，然后就可测得此时的纵向弯曲半径和对应的力臂，然后再结合当时的试验机传感器搜集的载荷就可得到对应时刻的纵向弯矩，测出试样在弯曲过程中的纵向曲率半径变化，进而得到相应的弯矩变化情况，从而验证预测上述双稳态结构形状的公式。

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