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发布日期：2025-11-27 10:58 点击次数：81

CIRA选拔取得专利的平行缠绕工艺以及干纤维、硅胶模具和树脂谛视设施制造了轻量化的重载天外部件开云下载网址，减少了东说念主工劳动。

用机器东说念主缠绕干碳纤维的设施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）任务中第一个树脂谛视的放射器结构（图片起原：CIRA 和 ESA）

碳纤维增强团员物（CFRP）的Anisogrid网壳是最有用的想象之一，能最猛进程地沉静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（迂回）刚度，关于小心在高压载荷下产生屈曲至关进攻。比较之下，均匀的多层壳结构只提供面内刚度，而迂回性能则较差。这等于为什么这种壳体频繁要用稀零的结构元件（如纵梁）来撑握，或使用夹层结构来进步刚度，而这又加多了分量、复杂性和老本。

自1980年代以来，CFRP的Anisogrids结构一直是选拔湿纤维缠绕工艺来制造，而自1990年代以来，一直选拔自动化的预浸料铺放时间。关联词，湿法缠绕，这种选拔液态树脂的通达性工艺却穷乏工艺升天，不可精确升天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，需要虚构的螺旋图案在相邻的环之间出动。一种贬责有计算是割断环与采取节点之间的丝束（NLR在ACASIAS名目中使用后者来生成正交网格），但这还会中断载荷旅途，诽谤强度并加多质料。

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网格结构的想象和制造设施，包括对预浸料和湿法缠绕进行了优化，以及改换了想象分析设施。到2009年，该公司的平行缠绕时间已取得专利，该时间使用干纤维进行缠绕，然后谛视树脂，拆伙可取得一个交汇的Anisogrid结构而无需切割连气儿纤维丝束，也无需选拔虚构的螺旋图案。

CIRA开发的这项工艺精确、极为高效且可扩展，适于酿成极薄到极厚的肋（横截面为4-400mm2）。Avio（意大利 Colleferro）已选拔这项时间为2022年首飞的Vega-C天外放射器制造了2/3级间。自此，CIRA进一步考证了其设施的可扩展性，坐褥了用于卫星的大型中心管和长的仪器吊杆，以及用于放射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设施。”CIRA的复合材料原型实验室正经东说念主Felice De Nicola 博士说说念，“咱们但愿坐褥出一种一体化的、肤浅且低老本的居品。咱们还念念通过使用树脂谛视来贬责湿法缠绕和预浸料带来的问题，这是一种相称肤浅的时间。”

CIRA 取得专利的平行缠绕工艺是运用机器东说念主缠绕来创建螺旋肋，同期，用纱架编结出环肋（以及用于勾通的更宽的“黑环”）而无需切割丝束或使用虚构的螺旋图案，所取得的Anisogrids要比调换结构的复合材料的夹层或蒙皮-纵梁结构至少沉静了20%的质料且抗压强度更高（图片起原：CIRA 和 ESA）

CIRA选拔机器东说念主单位来创建Anisogrid的交汇环和螺旋肋。连合一种被称作“平行缠绕”的专利设施，该机器东说念主单位正经扩充改换的纤维缠绕。“咱们围绕销扩充螺旋缠绕，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，选拔一种极为肤浅的开发就能交汇干纤维的肋，这不错保证纤维的直线度，而且还是一个相当快的过程。”

这还幸免了切割纤维丝束或使用虚构的螺旋肋图案。“淌若你唯有一个千里积头，就像在纤维缠绕中的那样，那么，你就必须有稀零的螺旋线技艺在相邻的环状旅途之间出动。”他解释说，“然则，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默示，在隐敝有硅胶“毯”或板的金属芯轴上进行缠绕，无需扬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设施。“比较之下，咱们选拔久经熟谙的时间，约略肤浅地坐褥出可重叠使用的板。咱们在机加工的铝模上使用液态硅胶进行浇铸，由此取得的样貌提供了一个带有凹槽的板状模具，可将干纤维放入其中。” 他说说念。

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。运用板两头芯轴中的金属销，不错拆伙螺旋缠绕而无需切割纤维（图片起原：CIRA 和 ESA）

最近，该小组通过3D打印微型的模块化元件，幸免了使用大型的机加工模具。“这么，模具会相称肤浅——它仅仅圆柱体的一个扇形部分。”De Nicola 说说念，“然后，咱们锻造多个扇形部分，并使用调换的液体硅胶将它们勾通起来，酿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，这种设施需要苟简100kg的硅胶，“天然并未低廉，但与制造和扬弃数百个三角形的硅胶嵌件比较，它更具老本效益。”

CIRA在螺旋缠绕中使用销亦然对现存时间的妥当。“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通达式结构进行缠绕。”De Nicola 说说念，“在咱们的案例中，它们仅仅荟萃在肋地方之处。因此，咱们只在硅胶板傍边边际的芯轴上用了极少的销。天然这很肤浅，但如实为机器东说念主的头部带来了可操作性，从而约略围绕销进行缠绕。一朝缠绕拆伙，谛视和固化过程也已完成，咱们只需从芯轴上拧下销即可。”

材料和树脂谛视

然后，再将所取得的干的预成型件放入真空袋中并谛视树脂。“频繁，咱们使用的是中等模量的碳纤维，然则，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 说说念。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）和帝东说念主（日本东京）。他默示，干纤维要比预浸料更脆弱，因此，缠绕系统必须要妥善照料好纤维，在应用过程中保握好张力而不会带来损坏。

至于树脂，CIRA 的照应员和材料群众 Gionvangiuseppe Giusto 博士解释说，需要弥散低的粘度（如苟简200 厘泊）技艺皆备渗入纤维，尤其是在肋交叉的节点处。“频繁，咱们更心爱使用环氧树脂系统，但关于特定的应用，比如使用温度范围在-160-160 ℃的卫星吊杆，咱们使用了氰酸酯树脂。”他说说念。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。“咱们检修了一系列的树脂，然后左证玻璃化调治温度和工艺参数来进行弃取。频繁，咱们是从已相宜天外应用要求的树脂入部属手进行弃取，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 说说念。

在谛视过程中，一种圭臬的分拨介质促进了树脂在整个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）市售的团员物网格居品，它频繁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默示：“树脂在纤维体积含量较低的节点之间流动得相称快，然后在节点处流速变缓，这里需要用多一丝的时辰来填充。天然如斯，在流动介质的匡助下，仍不错看出树脂谛视要比树脂传递模塑（RTM）成型更有上风。在RTM工艺中，需要靠压力来鼓动树脂上前水平流动浸润预成型件，关于大型部件而言，这可能要浪掷很长的时辰。为了诽谤时辰，在RTM工艺中，频繁会使用多个树脂浇注口。而在真空赞成的谛视中，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向或厚度标的渗入，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，何况知说念垂直谛视对咱们来说是最肤浅的。”Giusto 补充说念，“逆重力的标的进行谛视有助于扼杀空气、蒸发物蔼然泡，不然，这些物资可能会淹留。流过肋的流体时尚简直还能会聚起来，且流体的行进相称匀速，因此，咱们不再使用流动模子。运用踱步介质，树脂会赶快渗入肋，即使选拔了相对较厚的蒙皮亦然如斯，比如Vega-C级间。”

“对咱们来说，谛视这些Anisogrids相称容易，即使结构的高度是3-4m。”Spena说说念。比如，谛视直径2m、高2.5m的卫星中心管，苟简需要1h。针对该工艺，咱们对预成型件进行了一些优化。清晰，谛视流在通过2mm厚的蒙皮中纤维量较高之处时流速稍慢一些，但也会产生相称好的压实层压结构。”

CIRA准备了一个锥形适配器，用于在谛视树脂后进行加热炉固化（图片起原：CIRA 和 ESA）

谛视完成后，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，咱们选拔了非热压罐（OOA）固化设施。”De Nicola 说说念，“咱们的念念法是，解脱热压罐，选拔更具老本效益的工艺。咱们沿肋和节点区域取得了章程的截面而莫得变形。”

这关于评释CIRA的设施如实不错坐褥出高性能的结构同期确保肤浅性短长常进攻的。他默示：“因为咱们一直在寻求效果——不仅在质料方面，还在经过方面。咱们确信，Vega-C 级间是欧洲航天局名目中第一个通过谛视树脂制成的重载放射器结构。”

更低的纤维体积含量和分量，更高的抗压强度

CIRA 的设施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。“与更圭臬的50%以上的纤维体积含量比较，咱们拆伙了34%-40%的纤维体积含量。”CIRA的照应员兼该时间的主要想象工程师 Giovanni Totaro 博士说说念，“咱们的纤维体积含量较低，因而允许使用更多的树脂，从而进步特定的压缩性能。同期，咱们的质料密度约为1400kg/m3，而圭臬结构的质料密度是1600kg/m3。缺欠是，由于纤维体积含量莫得最大化，因此不可取得最大的刚度。但咱们如实最猛进程地进步了比抗压强度，这有助于咱们在压缩载荷下拆伙最好结构。”

“这强调了咱们的设施在对强度和屈曲要求严格的应用中是有用的。”Totaro 说说念，“此外，在碳纤维主导的纵朝上，Anisogrid的单向肋展现出极低的热扩展统共（CTE），这为在顶点热条目下要求保握尺寸褂讪的应用（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，因此其想象要知足屈曲要求。”De Nicola说说念，“关于皆备由刚度主导的想象，咱们的Anisogrid结构仍然具有竞争力，但可能不是最有用的想象。”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还沉静了至少20%的质料

更高效地优化Anisogrid

CIRA不仅开发了一种制造Anisogrid的更高效设施，还开发了一种更高效的想象优化设施。在Totaro的率领下，CIRA最先照应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。面外屈曲已得到了刻画，但面内屈曲仅仅用一种简化的设施来刻画。因此，咱们开发并考证了更精确的面内模子，它提供了结构效果更高的贬责有计算。”他解释说念。

最终，他们还拆伙了更高效的举座想象经过。“Anisogrid结构不错使用往常的想象建立，咱们需要为特定样貌（如圆柱体或圆锥体）照应整个的网格建立，并为每一种样貌治服肋的最好横截面，以最猛进程地沉静网格质料而不产生局部屈曲。”Totaro 说说念，“咱们还必须知足举座屈曲要求以及举座的结构刚度和强度要求。”最终，该想象过程包括3个主要阶段。

1. 参数照应。针对圆柱体或圆锥体的每一种可能的想象建立是由一定数目的、隔断章程的环和螺旋肋来界说的，同期也界说了螺旋角，这是基本的想象变量。环和螺旋肋的厚度与宽度对每一种建立作了进一步的表征。

“咱们对想象建立进行了某种参数化的照应，关于每一种建立，咱们都会治服最小的质料选项。”Totaro 说说念，“基本上，咱们开展一项大型的参数化照应来治服整个这个词想象空间。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取得可能建立的举座情况。”

该分析选拔的是Matlab Optimization Toolbox 软件（MathWorks，好意思国马萨诸塞州纳蒂克）中的不休最小化关节，方针是最猛进程地沉静网格壳的质料。不休方程由知道模子默示，这些模子类似于结构的刚度属性和各式失效机制。每一种建立都得到单独优化。“然后，为Anisogrid的六边形和三角形单位系统制定特定的知道模子，这么，咱们就约略识别屈曲机制并了解以前被低估的环肋的作用。”Totaro 说说念，“咱们还知道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。它还匡助治服了蒙皮层压板的最好铺叠端正。这些模子频繁是使用Maple软件（Maplesoft，加拿大安大略省滑铁卢）制定的。”

CIRA 的三阶段想象优化设施探索了Anisogrid参数（左），以向下弃取最好建立，用于开展肤浅的有限元分析，从而为最终的 3D CAD 应力分析输出最好建立（右）（图片起原：CIRA 和 ESA）

2. 肤浅的有限元模子。一朝治服了拆伙最轻质料的最好候选有计算，该有计算就会被调治为有限元模子，该模子由肤浅的一维“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，方针仅仅为了考证预期的刚度和强度性能是否能合清醒散，并有可能用于平凡调整肋的横截面或蒙皮的铺叠端正，最终完善该贬责有计算。”Totaro 说说念。基于为 Nastran 求解器（可从多个供应商处取得）构建输入文献的特定规程，此过程相对较快。“然后，咱们进行更精采的分析并再次向下弃取。”Totaro 说说念，“在治服了肋的最终构型和横截面后，该阶段即拆伙。”

3. 最终的三维模子。然后，将最终的想象调治为三维CAD 模子，这为工装制造和界说坐褥工艺（芯轴、模具、接口）以及构建最终的三维有限元模子以进行详备的应力-应变分析提供了基本的输入文献。在该阶段，最先从以前的简化版块中被扼杀的整个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计较分析并快速完成，但该过程仍要讨论对Anisogrid的结构活动最为进攻的性能身分。

“Totaro多年的开发匡助CIRA很好地相识了Anisogrids的分析模子。”De Nicola 说说念，“而这还是一个相称快的过程。这些模子很复杂，但也选拔了半知道阵势，是以软件不错快速反应开动优化拆伙，然后，咱们就不错使用圭臬的有限元设施对其进行优化。从一脱手，咱们就戮力对Anisogrid结构活动进行竟然的了解，这并不常见。咱们莫得一个带有需要优化的普通单位的通用模子，而是领有网格结构活动的特定学问。一样，这指令咱们开发了新的想象设施，为轻量化和高效化带来了新的契机。”

脱模

De Nicola默示，关于锥形结构或大型圆柱体而言，在谛视树脂且固化后，取出芯轴频繁不是问题。“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，但频繁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。“咱们将这种扩展讨论进来，以便正确地治服复合材料肋的尺寸。”

部件取出后，去除剥离层，便可取得名义质料高的制品。关于无蒙皮的复合材料Anisogrids而言，去除其肋间闲逸处的固化树脂膜是很容易的。“它相称薄，唯有十分之几毫米厚，而且踱步在整个这个词名义上，不错在几分钟内把它切掉或敲掉。”

完成的 CFRP Anisogrid臂结构（图片起原：CIRA 和 ESA）

越来越多的应用

从大型结构到微型结构，CIRA已评释了其想象和制造设施的智商和多用性，用于 Vega-C天外放射器的直径2.4m、长2m的2/3级间等于一个枢纽例证。“咱们用了3周时辰缠绕完成了第一个 Vega-C 级间原型，然后咱们与Avio互助，熟化并加速了这一过程。2018年，在告捷完成测试（包括迂回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 说说念。

Vega-C于2022年首飞，但由于Zefiro电机的喷嘴出现故障，任务在第二次放射后暂停。Vega-C 计算于2024 年晚些时候还原遨游，并在2025年扩充密集的放射计算。

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参考有计算要轻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称好，拆伙了对应变传感器的精确隐敝，从而不错更好地了解结构活动并考证结构的详备的有限元模子。”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，还拆伙了低于14kg/m的比质料，这要比传统的复合材料壳体结构轻20%。

CIRA选拔的机器东说念主缠绕、树脂谛视和非热压罐固化的设施，已在越来越多的结构制造中得到了考证，包括锥形承载适配器、圆柱形空间结构以及当今用于改日航天应用的更往常的结构（图片起原：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，按两个标的缠绕的纤维为螺栓勾通提供了承载强度。“这些环频繁沿壳体结构的边际引入，看成与相邻组件的法兰的接口。”Totaro 说说念，“它们还被集成到需要对勾通点进行局部加固的结构中。为沉静质料，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，它为螺栓勾通提供了勾通点（图片起原：CIRA 和 ESA）

CIRA最新的表率是一个直径120mm、长1.5m的细长的CFRP Anisogrid吊杆段，用于可张开式卫星天线。其想象要求在受热景色下确保尺寸褂讪性，以及具有高的刚度/分量比。CIRA 选拔细肋（横截面为1.5mm×3.6mm），拆伙了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，这就使得拆伙理念念的铺叠端正以知足刚度、CTE 和强度等详细要求变得愈加坚苦。”Totaro说说念。

“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挫伤性。咱们更为高效的想象设施与咱们的制造设施相连合，使得复合材料的Anisogrids成为更实用的有计算，不仅适用于航天器，还适用于更往常的航天应用。咱们看到了咱们的想象和制造设施的开阔后劲，改日，咱们将连接开发更轻、更高效的复合材料结构。”

原文流畅：

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

推行翻译：苏州空天复材团队

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