纤维缠绕加筋复合材料壳体的设计与性能表征

摘要

加筋复合材料壳体以结构效率高、抗冲击等优点在航天器上已被广泛采用,加筋复合材料壳体结构比铝合金结构可以减重40％。随着加筋复合材料壳体结构的需求不断增加和应用技术的日趋成熟,对其自身的轻量化和成本要求也越来越高,目前国内在这方面的研究仍然处于发展历史较短,轻量化设计相对简单,系统化不强,工艺技术相对落后,成本居高不下的现状,这些不足极大地限制了其应用范围。在此背景下,本文针对目前航天器上常采用的纵环加筋复合材料圆柱壳和圆锥壳这两种典型结构,开展了加筋复合材料壳体树脂基体改性、工艺技术、结构参数优化、实验技术和低成本技术研究。研制出高强度、高韧性、耐温性能优的低成本树脂基体配方;优化出加筋壳体最佳蒙皮缠绕角度、加强筋截面尺寸和纵环筋的函数关系;提出了等体积法有效地解决了加强筋交叉点纤维堆积问题;设计的胶液控制三步法解决了湿法缠绕纤维体积含量低的技术难题;研究的低压固化技术降低了先进复合材料的制造成本。通过这些技术,从而实现加筋复合材料壳体结构的高性能、轻量化和低成本。通过实验,验证了树脂基体的先进性、优化设计的可靠性和工艺技术的可行性,设计值与实验结果得到很好的吻合。
　　加筋复合材料壳体的材料由增强纤维和树脂基体两大相组成。树脂基体优选强度高、耐温性好的TDE-85环氧树脂,在树脂反应机理指导下对TDE-85环氧树脂基体开展了改性研究。TDE-85树脂脆性大、成本高,研究发现在TDE-85树脂中加入适量的双酚类环氧树脂,可使纤维和树脂界面呈现柔性界面层,从而提高了复合材料韧性。由于双酚类环氧树脂的加入,增加了树脂粘度,研究加入低成本的乙二醇二缩水甘油醚稀释剂,降低树脂粘度,提高缠绕工艺性能。对树脂基体DSC曲线进行了细致研究,设计树脂基体最佳的固化工艺制度。
　　纵环加筋复合材料壳体的蒙皮厚度、蒙皮缠绕角度、加强筋结构尺寸、纵环筋布置等参数都是影响结构承载性能的关键参数,深入研究了这些参数对加筋壳承载能力的影响规律,优化出最佳的蒙皮缠绕角度和加强筋结构尺寸,用稳定理论和强度理论同时进行校核,提高设计准确性。
　　加筋复合材料壳体加强筋是主要承载结构,为了深入研究加强筋布置与壳体结构的承载关系,以纵筋数和环筋数为设计变量,以稳定值为状态变量,以圆柱壳和圆锥壳的质量为目标函数,优化出纵环筋的函数关系,对纵环筋进行优化配置,减轻结构质量。
　　针对加筋复合材料壳体加强筋在交叉点纤维堆积问题进行了工艺设计,提出等体积设计方案,有效解决了加强筋交叉点纤维堆积问题。针对湿法缠绕纤维体积含量不易控制技术难题,提出了胶液控制三步法技术,吸胶、刮胶、挤胶,有效的提高了湿法缠绕纤维体积含量,使湿法缠绕加筋复合材料壳体纤维体积含量达到60%,满足了航天航空对先进复合材料结构件的要求。
　　针对先进复合材料成本居高不下的现状,主要从材料的低成本和工艺技术低成本两方面进行了研究。研究出TDE-85树脂与低成本环氧树脂、低成本稀释剂复配技术,有效降低了复合材料基体成本。通过对较大丝束碳纤维(丝束越大纤维价格越低)缠绕张力、展纱工艺、纤维浸润性等工艺参数的研究和工艺设备的改进,将较大丝束碳纤维成功应用在先进加筋复合材料壳体的缠绕制作上，降低了增强纤维在加筋复合材料壳体上的成本比重。通过对复合材料层间剪切强度、拉伸强度、压缩强度与固化压力的关系研究,研制出加筋复合材料壳体的低压固化技术,节省了加压釜固化的高昂费用。低成本技术研究对拓展加筋复合材料壳体结构在航天器上的应用具有深远的意义。
　　通过实验方案、实验装置的设计和试样精度对实验数据的影响规律研究,解决了实验技术难题,成功的对复合材料圆柱壳进行了轴压、侧压和轴侧压实验以及复合材料圆锥壳的轴压实验,实验结果与设计结果很好的吻合。

目录

纤维缠绕加筋复合材料壳体的设计与性能表征

DESIGN AND CHARACTERIZATION OF FILAMENT-WOUND COMPOSITE SHELLS REINFORCED BY GRID

摘要

ABSTRACT

Contents

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 碳纤维及其加筋复合材料结构的国内外研究现状

1.3 碳纤维复合材料的成型工艺

1.4 加筋复合材料壳体数值模拟方法

1.5 本文的主要研究内容

第2章 树脂基体改性研究

2.1 树脂基体改性配方研制

2.2 测试仪器设备及测试方法

2.3 树脂基体的固化

第3章 纤维缠绕加筋复合材料壳体结构优化设计

3.1 引言

3.2 理论分析

3.3 纤维缠绕加筋复合材料圆柱壳优化设计

3.4 纤维缠绕加筋复合材料圆锥壳的优化设计

3.5 本章小结

第4章 纤维缠绕加筋复合材料壳体工艺及低成本技术

4.1 引言

4.2 加筋复合材料壳体工艺

4.3 纤维缠绕加筋复合材料壳体低成本技术

4.4 本章小结

第5章 纤维缠绕加筋复合材料壳体的性能表征

5.1 引言

5.2 实验装置设计和实验仪器设备

5.3 纤维缠绕加筋复合材料壳体实验

5.4 实验结果分析

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

哈尔滨工业大学博士论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致谢

个人简历