柔性基体TWF复合材料弹性性能研究

利用碳纤维三向编织物（Triaxial Woven Fabric TWF）作为增强材料，与合适的柔性基体材料（例如硅橡胶）复合，制成兼具一定柔性和刚性的碳纤维三向编织物复合材料壳膜结构，作为可折叠展开的卫星天线反射器，是一种新型的高精度可展开天线实现方案。文章对采用硅橡胶的TWF复合材料进行了弹性性能的研究。采用细观方法，通过研究纤维和基体之间的相互作用，确定复合材料宏观力学性质与组份材料特性及细观结构之间的定量联系，对表征编织复合材料结构特性的三维单胞进行了均匀化有限元分析，最终将得到整个复合材料的弹性模量。首先，考虑纤维束交织情况（起伏波动）对单胞进行了精细几何建模，通过混合规则得到纤维束的材料特性；接下来，对单胞进行了有限元的分析，施加周期性边界条件，应用均匀化的方法通过6个独立加载分析得到体积平均应力、应变，从而得到刚度矩阵，最终获得工程常数。目前国内外对于柔性基体TWF复合材料的研究较少，对该材料弹性性能的研究，为今后该材料性能的进一步深入研究打下了坚实基础。     

碳纤维三向织物复合材料研究现状与未来展望

以往的卫星天线，或者是高精度但小口径，或者是大口径但低精度；现在对二者兼有（既要大口径，同时还要高精度）的需求越来越普遍。传统的大口径天线多采用网状可展开形式，这种形式的天线在实现高精度方面往往会遇到一系列的问题，尤其在材料选择、结构设计、热控设计、制造调试时间、费用等方面，需要付出很高代价。利用具有面内各向同性性能的碳纤维三向编织物（Triaxial Woven Fabric TWF）作为增强材料，与合适的基体材料（例如硅橡胶）复合，制成兼具一定柔性和刚性的碳纤维三向编织物复合材料壳膜结构，作为可折叠展开的卫星天线反射器，是一种新型高精度可展开天线的实现方案。文章对TWF的结构特性及其在卫星天线上的应用，以及其力学性能的分析与测试等进行了综述；对三向织物复合材料的力学性能分析和在大型可展开反射器上的应用，做出了未来展望。     

基于均匀化方法的三维编织复合材料等效弹性性能预测

由于三维编织复合材料具有复杂的空间拓扑结构,其力学性能分析通过宏观有限元方法往往因为占用大量的计算机内存而难以实现。从细观结构入手,计算材料的等效弹性模量可大大降低计算量。现建立了等效弹性模量的均匀化列式及有限元求解方法,运用该方法对三维编织复合材料的等效弹性性能进行了预测,并提出了三种单胞模型的周期性边界条件的施加方法。通过该方法得到等效弹性模量与实验结果较为吻合,从而有利于进行下一步的细观应力场计算。     

细编穿刺C/C复合材料热导率数值模拟

根据细编穿刺复合材料的细观和微观结构,分别建立了纤维束和细编穿刺单胞有限元模型。采用周期性非绝热温度边界条件,计算了纤维束和材料整体的等效热导率。计算结果与经验公式比较,具有高度的一致性。在此基础上,进一步研究了纤维体积分数、基体和纤维热导率对材料热导率的影响。结果表明,随着纤维含量的增加,材料两个方向热导率均有不同程度的下降,且差异逐渐减小,且基体对热导率影响作用较大。文中采用的模型和周期性边界条件与理论预期符合较好,为材料热学和热力耦合问题的分析提供了有用参考。     

壳膜结构的等效模型及其力学特性参数计算方法

由二维三向编织碳纤维柔性基体复合材料结构构成的壳膜结构具有良好的面内力学特性、轻质量、高强度等特性,受到工程师青睐。航天器反射器是一种典型的大尺寸、轻质量的航天器结构,需要采用轻质量高强度的材料,壳膜结构即被认为可能满足此要求。本文对壳膜结构进行了等效力学特性分析,建立了基于材料力学等弯矩法的等效有限元模型,并进行了仿真求解,求解结果通过简单载荷的施加,验证了计算结果的准确性。在分析壳膜结构等效参数的基础上,对壳膜反射面进行了受重力情形变形与受重力前后主要模态的仿真计算。     

等参化FVDAM在复合材料湿热应力分析中的应用

在等参化有限元体积直接平均法（FVDAM）中引入等效湿胀系数,建立了复合材料湿热耦合的细观应力场分析模型。计算了湿热环境中不同纤维体积含量和湿含量复合材料的细观应力场。结果表明：湿热环境中复合材料界面径向应力最大值发生于纤维密集区的相邻纤维间的界面处,最小值出现在基体富区;初始吸湿对热残余应力有释放作用,最终吸湿的影响将超过热残余应力,界面应力状态也随之改变。计算所得细观应力场与有限元（FEM）法有较好的一致性。     

大型环形可展开天线型面高精度测试方法研究

天线反射器型面精度是衡量、评价天线质量的重要指标之一,天线型面精度的高低将直接影响天线的电性能指标。大型环形可展开天线型面精度测试,目前多采用高精度工业数字化摄影测量技术进行,在使用高精度数字化摄影测量系统对大型环形可展开天线开展型面测试过程中,系统测量精度主要受摄影基准选用、测量距离、测量靶标大小、测量角度、测量拍照数量、相机参数等多项工艺参数影响。就如何使用数字化摄影测量系统对大型环形可展开天线开展高精度型面测试方法开展研究,通过对高精度长基准尺的设计及布局研究,以及对摄影测量系统最优匹配工艺参数研究及验证,得到一种针对大型环形可展开天线开展高精度型面测试的方法。试验证明,该方法可靠有效,能够满足大型环形可展开天线开展型面高精度测试的测量需求。     

大型环形可展开天线反射器展开控制技术

大型环形网状可展开天线是卫星新型的天线载荷之一,其展开和收拢状态下的体积与重量都明显高于目前的星载天线。在发射阶段,天线需牢固可靠的收藏于卫星本体,卫星入轨后反射器需由收拢状态还原到全展开状态。大型环形网状可展开天线的反射器展开控制器是反射器展开的核心控制部件,它要实现反射器由收拢状态还原展开到位的全部控制过程。本文介绍了大型环形网状可展开天线反射器展开控制器技术的一种方案。     

基于均匀化理论的4D轴编C/C复合材料的细观力学性能预测

为实现4D轴编C/C复合材料细观力学性能的预测,首先针对4D轴编C/C复合材料的结构特点,建立了其代表性体积单元;然后利用均匀化理论和周期性边界条件为理论基础,编写了一般周期性边界条件子程序作为位移边界条件,分析讨论了代表性体积单元的变形特征、应变分布特征,获得了等效刚度矩阵;同时与编写的周期性边界条件子程序作为位移边界条件情况下的计算结果和已有实验结果分别进行了对比。研究结果表明,随着界面强度的增加,一般周期性边界条件预测的材料力学性能相比周期性边界条件预测情况下的误差小,更接近实验数值,从而验证了编写的一般周期性边界条件子程序的有效性和正确性,并进一步得出了代表性体积单元参数对材料力学性能的影响规律,得到了一些有一定指导意义的结果。     

碳/环氧编织复合材料热膨胀特性分析

采用理论与试验相结合的方法,研究了碳/环氧三维编织复合材料的热膨胀特性。通过试验方法获得了不同规格的三维编织复合材料在编织方向的热膨胀系数,并基于均匀化理论建立了编织材料热弹性性能的分析方法,对数值结果与试验值进行了比较。研究表明,三维编织复合材料在编织方向上具有典型的负膨胀特性;与三维四向编织结构复合材料相比,三维五向编织结构复合材料具有较小的负膨胀系数;三维编织复合材料编织方向的负膨胀系数随着纤维体积含量的增大而减小,随着编织角的增大而增大;基于均匀化理论的热弹性数值分析方法可有效地预报三维编织复合材料的等效热膨胀系数,数值计算值与试验结果吻合较好。     

长寿命航天器结构密封性能仿真分析研究

硅橡胶密封圈的力学性能会随着工作时间的增加而发生退化,本文首先初步分析硅橡胶的热氧老化机理,然后对硅橡胶材料在热氧加速老化试验前后的特性参数进行分析对比,并借助非线性有限元分析软件ABAQUS对由该种材料制成的O形圈老化前后的最大接触应力等力学参数进行分析计算,最后讨论了这些参数变化对结构密封效果的影响。本文的研究结果可为长寿命密封圈设计提供参考。     

高精度多波束反射器温度敏感性分析及热控改进

为了满足高精度多波束反射器较高的热变形要求，需要采取有效热控措施减小反射器温度波动。通过数学分析与有限元仿真，对影响反射器在轨温度场的因素进行分析，包括天线表面太阳光吸收率、半球发射率、太阳屏透过率、卫星平台反照等。并据此对中星十六号卫星多波束反射器在轨温度场进行修正，得到了与在轨遥测温度吻合度较高的温度分析值，验证了分析的准确性。最后提出了4项高精度多波束反射器热控改进措施。     

考虑孔隙缺陷三维编织C/C复合材料渐进损伤及强度预测（英文）

为研究三维编织C/C复合材料单轴拉伸渐进损伤与失效强度,考虑了材料内部纤维增强相、基体相和界面随机孔隙缺陷,建立了三维编织C/C复合材料单胞有限元模型。基于Linde等人提出的破坏准则描述纤维束纵向拉伸剪切破坏和横向破坏,基体采用最大主应变破坏准则,界面采用双线性内聚力本构模型和二次应力破坏准则,建立了与单元特征尺度、局部应变以及断裂能相关的指数型损伤演化律。采用有限元法结合周期性边界条件模拟了材料细观损伤起始、演化与失效过程,并预测了材料轴向拉伸强度。结果表明;材料轴向拉伸强度主要由纤维棒纵向拉伸强度控制,与不考虑材料孔隙缺陷的模拟结果相比,考虑材料孔隙缺陷的强度预测值与实验值更加接近,此外,孔隙缺陷对材料拉伸强度的影响大于对拉伸模量的影响。     

一种计算复合材料湿扩散系数的等参化FVDAM模型

以界面平均相对湿浓度为基本未知量,用界面相对湿浓度连续、湿流通量连续和湿扩散方程建立复合材料湿扩散系数求解的等参化有限元体积直接平均法(FVDAM)模型,计算了复合材料的湿扩散系数,获得了复合材料单胞内的湿流通量分布并将模型用于芳纶复合材料吸湿行为分析。结果表明:该模型能反映复合材料复杂微结构及纤维自身吸湿特征,较Shen-Springer,Hashin,Piggott模型更适于复合材料湿扩散系数的求解。     

星载柔性复合材料壳面可展开天线研究进展

柔性复合材料壳面可在一定曲率半径范围内弹性弯曲收纳,展开后具有一定的自支撑能力,可为星载可展开天线研制提供新型解决途径。随着高应变薄壁碳纤维复合材料结构的发展,关于柔性壳面可展开天线的应用研究日益增多。综述了几类典型柔性壳面可展开天线反射面实现形式,分析了影响柔性壳面可展开天线发展的关键技术,为该类型天线反射面的研制提供了参考。     

大型网状天线展开指向精度测量方法研究

可展开天线研制过程中需对其进行地面展开指向精度测试以验证天线在轨实际指向性能.为了实现大型网状天线展开指向精度的地面测量,基于天线实际结构特点,从影响天线展开指向精度的因素入手,在建立的统一卫星坐标系分析模型下采用了一种基于展开臂、反射器和馈源阵等多个组成子部件单独展开指向精度直接测量的模式,并在各子部件测量结果的基础上间接分析得到天线的综合指向精度,最终不仅解决了目前对于大型网状天线展开指向精度在地面无法直接测量的难题,实现了其指向精度的间接测量,而且使综合测量精度优于0.01°,满足了高精度测量需求,研究结果对后续相关类型大尺寸天线展开指向的高精度测量和分析具有重要的指导意义.     

M40/环氧648准各向同性层板力学性能分析

以M40石墨纤维为增强材料与环氧648-三氟化硼单乙胺为树脂基体材料组成的M40/环氧648复合材料,已成为我国应用卫星结构的主要材料之一。文中通过对其单向板工程常数测定,着重对M40/环氧648准各向同性层板的力学性能进行了分析和讨论。     

M40／环氧648准各向同性层板力学性能分析

以Ｍ４０石墨纤维为增强材料与环氧６４８－三氟化硼单乙胺为材料基体材料组成的Ｍ４０／环氧６４８复合材料，已成为我国应用卫星结构的主要材料之一。文中通过对其单向板工程常数测定，着重对Ｍ４０／环氧６４８准各向同性层板的力学性能进行了分析和讨论。     

关于纤维增强复合材料力学性能可设计性的分析

纤维增强复合材料是一种多相结构材料,主要由增强纤维和树脂基体材料组成。其性能可设计性是指可按照设计要求进行选择不同的增强材料和树脂基体材料以及它们的含量和各种铺层形式,可组成具有不同性能的各种复合材料。这给复合材料可设计性提供更大的自由度。该文结合工程应用需要,主要对其力学性能可设计性进行了分析研究。     

三维五向编织复合材料宏细观力学性能分析

基于三维五向编织复合材料的细观结构胞元,采用细观有限元方法建立了材料宏观等效弹性性能的力学分析模型。模型数值结果与拉伸试验数据基本吻合,说明模型可用于该材料的宏观力学性能预测。经分析其细观应力分布及变形,表明基于胞元分析的力学模型能有效预测含周期性结构材料的细观力学响应。由于该模型能给出较为合理的细观应力应变场,为进一步开展三维五向编织复合材料的失效分析奠定了基础。