低成本、高效率地制造航天用CFRP Anisogrid結構
用機器人纏繞干碳纖維的方法制造的中型衛星用中心管和 Vega-C 2/3級間，據說是歐洲航天局（ESA）任務中第一個樹脂灌注的發射器結構（圖片來源：CIRA 和 ESA）
碳纖維增強聚合物（CFRP）的Anisogrid網殼是最有效的設計之一，能最大程度地減輕航天器重載結構的質量。它們由相交環和螺旋肋（有或沒有薄的外蒙皮）的規則圖案構成，提供了面內（膜）和面外（彎曲）剛度，對于防止在高壓載荷下產生屈曲至關重要。相比之下，均勻的多層殼結構只提供面內剛度，而彎曲性能則較差。這就是為什么這種殼體通常要用額外的結構元件（如縱梁）來支撐，或使用夾層結構來提高剛度，而這又增加了重量、復雜性和成本。
自1980年代以來，CFRP的Anisogrids結構一直是采用濕纖維纏繞工藝來制造，而自1990年代以來，一直采用自動化的預浸料鋪放技術。然而，濕法纏繞，這種采用液態樹脂的開放性工藝卻缺乏工藝控制，不能精確控制預浸料中的樹脂含量，同時，鋪放預浸帶還會在節點處產生堆積和纖維變形，需要虛擬的螺旋圖案在相鄰的環之間移動。一種解決方案是切斷環與選定節點之間的絲束（NLR在ACASIAS項目中使用后者來生成正交網格），但這還會中斷載荷路徑，降低強度并增加質量。
在過去的20年里，Centro Italiano Ricerche Aerospaziali（以下簡稱CIRA，意大利卡普阿）優化了其CFRP網格結構的設計和制造方法，包括對預浸料和濕法纏繞進行了優化，以及改進了設計分析方法。到2009年，該公司的平行纏繞技術已獲得專利，該技術使用干纖維進行纏繞，然后灌注樹脂，結果可獲得一個交織的Anisogrid結構而無需切割連續纖維絲束，也無需采用虛擬的螺旋圖案。
CIRA開發的這項工藝精準、極為高效且可擴展，適于形成極薄到極厚的肋（橫截面為4-400mm2）。Avio（意大利 Colleferro）已采用這項技術為2022年首飛的Vega-C太空發射器制造了2/3級間。自此，CIRA進一步驗證了其方法的可擴展性，生產了用于衛星的大型中心管和長的儀器吊桿，以及用于發射器的錐形載荷適配器。
平行纏繞
“過去幾十年來已推出了制造交錯網格結構的諸多方法。”CIRA的復合材料原型實驗室負責人Felice De Nicola 博士說道，“我們希望生產出一種一體化的、簡單且低成本的產品。我們還想通過使用樹脂灌注來解決濕法纏繞和預浸料帶來的問題，這是一種非常簡單的技術。”
CIRA 獲得專利的平行纏繞工藝是利用機器人纏繞來創建螺旋肋，同時，用紗架編結出環肋（以及用于連接的更寬的“黑環”）而無需切割絲束或使用虛擬的螺旋圖案，所獲得的Anisogrids要比相同結構的復合材料的夾層或蒙皮-縱梁結構至少減輕了20%的質量且抗壓強度更高（圖片來源：CIRA 和 ESA）
CIRA采用機器人單元來創建Anisogrid的交織環和螺旋肋。結合一種被稱作“平行纏繞”的專利方法，該機器人單元負責實施改進的纖維纏繞。“我們圍繞銷實施螺旋纏繞，同時從紗架到旋轉芯軸的側面應用環向纏繞。”De Nicola 介紹說，“因此，采用一種極為簡單的設置就能交織干纖維的肋，這可以保證纖維的直線度，而且還是一個相當快的過程。”
這還避免了切割纖維絲束或使用虛擬的螺旋肋圖案。“如果你只有一個沉積頭，就像在纖維纏繞中的那樣，那么，你就必須有額外的螺旋線才能在相鄰的環狀路徑之間移動。”他解釋說，“但是，由于我們是通過單獨的機制來纏繞環，因而避免了這個問題。”
硅膠板、纏繞用金屬銷
De Nicola表示，在覆蓋有硅膠“毯”或板的金屬芯軸上進行纏繞，無需放置數百個三角形或六邊形的Teflon（特氟龍）或硅膠嵌件，這是其他小組提出的一種方法。“相比之下，我們采用久經考驗的技術，能夠簡單地生產出可重復使用的板。我們在機加工的鋁模上使用液態硅膠進行澆鑄，由此獲得的形狀提供了一個帶有凹槽的板狀模具，可將干纖維放入其中。” 他說道。
CIRA使用液態硅膠澆鑄來制造包裹在鋁芯軸上的板狀模具（上），它提供了凹槽，可將干纖維纏繞到凹槽中，從而制造出此圖所示的天線吊桿。利用板兩端芯軸中的金屬銷，可以實現螺旋纏繞而無需切割纖維（圖片來源：CIRA 和 ESA）
最近，該小組通過3D打印小型的模塊化元件，避免了使用大型的機加工模具。“這樣，模具會非常簡單——它只是圓柱體的一個扇形部分。”De Nicola 說道，“然后，我們鑄造多個扇形部分，并使用相同的液體硅膠將它們連接起來，形成一個圓筒狀的板狀模具。”他承認，對于制造一個中型結構而言，這種方法需要大約100kg的硅膠，“雖然并不便宜，但與制造和放置數百個三角形的硅膠嵌件相比，它更具成本效益。”
CIRA在螺旋纏繞中使用銷也是對現有技術的適應。“長期以來，銷一直被用于纖維纏繞，比如，可以在不切割纖維的情況下圍繞開放式結構進行纏繞。”De Nicola 說道，“在我們的案例中，它們只是集中在肋所在之處。因此，我們只在硅膠板左右邊緣的芯軸上用了少量的銷。雖然這很簡單，但確實為機器人的頭部帶來了可操作性，從而能夠圍繞銷進行纏繞。一旦纏繞結束，灌注和固化過程也已完成，我們只需從芯軸上擰下銷即可。”
材料和樹脂灌注
然后，再將所獲得的干的預成型件放入真空袋中并灌注樹脂。“通常，我們使用的是中等模量的碳纖維，但是，針對對剛度和熱膨脹性要求嚴格的吊臂等應用而言，我們也使用高模量的碳纖維。”De Nicola 說道。碳纖維的供應商包括：東麗（日本東京）、赫氏（美國康涅狄格州斯坦福德）和帝人（日本東京）。他表示，干纖維要比預浸料更脆弱，因此，纏繞系統必須要妥善管理好纖維，在應用過程中保持好張力而不會帶來損壞。
至于樹脂，CIRA 的研究員和材料專家 Gionvangiuseppe Giusto 博士解釋說，需要足夠低的粘度（如大約200 厘泊）才能完全浸透纖維，尤其是在肋交叉的節點處。“通常，我們更喜歡使用環氧樹脂系統，但對于特定的應用，比如使用溫度范圍在-160-160 ℃的衛星吊桿，我們使用了氰酸酯樹脂。”他說道。CIRA還使用了來自亨斯邁（美國德克薩斯州伍德蘭茲）、Syensqo（前身是索爾維，英國希諾）和赫氏的樹脂。“我們考察了一系列的樹脂，然后根據玻璃化轉變溫度和工藝參數來進行選擇。通常，我們是從已符合太空應用要求的樹脂著手進行選擇，但在某些應用中，我們提議使用一種主要用于汽車的環氧樹脂。”Giusto 說道。
在灌注過程中，一種標準的分配介質促進了樹脂在整個預成型件中的流動。“我們使用Airtech（美國加利福尼亞州亨廷頓海灘）市售的聚合物網格產品，它通常是為高溫應用而配制的。”Giusto介紹說。
CIRA的材料和工藝專家Paola Spena表示：“樹脂在纖維體積含量較低的節點之間流動得非?？?，然后在節點處流速變緩，這里需要用多一點的時間來填充。雖然如此，在流動介質的幫助下，仍可以看出樹脂灌注要比樹脂傳遞模塑（RTM）成型更有優勢。在RTM工藝中，需要靠壓力來推動樹脂向前水平流動浸潤預成型件，對于大型部件而言，這可能要花費很長的時間。為了縮短時間，在RTM工藝中，通常會使用多個樹脂澆注口。而在真空輔助的灌注中，流動介質不僅會加速樹脂流動浸潤預成型件，還有助于樹脂沿Z向或厚度方向浸透，因此，我們只使用了一個樹脂澆注口。”
“我們將澆注口設在結構的底部，并且知道垂直灌注對我們來說是最簡單的。”Giusto 補充道，“逆重力的方向進行灌注有助于排除空氣、揮發物和氣泡，否則，這些物質可能會滯留。流過肋的流體前鋒幾乎還能集結起來，且流體的行進非常勻速，因此，我們不再使用流動模型。利用分布介質，樹脂會迅速浸透肋，即使采用了相對較厚的蒙皮也是如此，比如Vega-C級間。”
“對我們來說，灌注這些Anisogrids非常容易，即使結構的高度是3-4m。”Spena說道。比如，灌注直徑2m、高2.5m的衛星中心管，大約需要1h。針對該工藝，我們對預成型件進行了一些優化。顯然，灌注流在通過2mm厚的蒙皮中纖維量較高之處時流速稍慢一些，但也會產生非常好的壓實層壓結構。”
CIRA準備了一個錐形適配器，用于在灌注樹脂后進行加熱爐固化（圖片來源：CIRA 和 ESA）
灌注完成后，CIRA會依據樹脂和部件的要求使用熱壓罐或加熱爐來進行固化。“對于吊桿和衛星中心管結構，我們采用了非熱壓罐（OOA）固化方法。”De Nicola 說道，“我們的想法是，擺脫熱壓罐，采用更具成本效益的工藝。我們沿肋和節點區域獲得了規則的截面而沒有變形。”
這對于證明CIRA的方法確實可以生產出高性能的結構同時確保簡單性是非常重要的。他表示：“因為我們一直在尋求效率——不僅在質量方面，還在流程方面。我們確信，Vega-C 級間是歐洲航天局項目中第一個通過灌注樹脂制成的重載發射器結構。”
更低的纖維體積含量和重量，更高的抗壓強度
CIRA 的方法提供了帶有交織肋的完整預成型件，而肋中的纖維體積含量要低于傳統航天層壓結構中的纖維體積含量。“與更標準的50%以上的纖維體積含量相比，我們實現了34%-40%的纖維體積含量。”CIRA的研究員兼該技術的主要設計工程師 Giovanni Totaro 博士說道，“我們的纖維體積含量較低，因而允許使用更多的樹脂，從而提高特定的壓縮性能。同時，我們的質量密度約為1400kg/m3，而標準結構的質量密度是1600kg/m3。缺點是，由于纖維體積含量沒有最大化，因此不能獲得最大的剛度。但我們確實最大程度地提高了比抗壓強度，這有助于我們在壓縮載荷下實現最佳結構。”
“這強調了我們的方法在對強度和屈曲要求嚴格的應用中是有效的。”Totaro 說道，“此外，在碳纖維主導的縱向上，Anisogrid的單向肋展現出極低的熱膨脹系數（CTE），這為在極端熱條件下要求保持尺寸穩定的應用（如天線吊桿）帶來了優勢。”
“我們制造的Anisogrids是圓柱體和圓錐體的，承受重載時受壓，因此其設計要滿足屈曲要求。”De Nicola說道，“對于完全由剛度主導的設計，我們的Anisogrid結構仍然具有競爭力，但可能不是最有效的設計。”雖然如此，Totaro指出，對于同樣的結構，與使用蒙皮-縱梁或夾層結構制成的復合材料結構相比，CIRA還減輕了至少20%的質量
更高效地優化Anisogrid
CIRA不僅開發了一種制造Anisogrid的更高效方法，還開發了一種更高效的設計優化方法。在Totaro的領導下，CIRA首先研究了局部面內屈曲的具體模型。“比如，這發生在圓錐形結構的較大半徑中。傳統的面外屈曲發生在橫向或徑向。面外屈曲已得到了描述，但面內屈曲只是用一種簡化的方法來描述。因此，我們開發并驗證了更精確的面內模型，它提供了結構效率更高的解決方案。”他解釋道。
最終，他們還實現了更高效的整體設計流程。“Anisogrid結構可以使用廣泛的設計配置，我們需要為特定形狀（如圓柱體或圓錐體）研究所有的網格配置，并為每一種形狀確定肋的最佳橫截面，以最大程度地減輕網格質量而不產生局部屈曲。”Totaro 說道，“我們還必須滿足整體屈曲要求以及整體的結構剛度和強度要求。”最終，該設計過程包括3個主要階段。
1. 參數研究。針對圓柱體或圓錐體的每一種可能的設計配置是由一定數量的、間隔規則的環和螺旋肋來定義的，同時也定義了螺旋角，這是基本的設計變量。環和螺旋肋的厚度與寬度對每一種配置作了進一步的表征。
“我們對設計配置進行了某種參數化的研究，對于每一種配置，我們都會確定最小的質量選項。”Totaro 說道，“基本上，我們開展一項大型的參數化研究來確定整個設計空間。因為在這個階段，我們處理的不是有限元模型，而只是方程和基于梯度的優化算法，所以我們可以在幾分鐘內獲得可能配置的整體情況。”
該分析采用的是Matlab Optimization Toolbox 軟件（MathWorks，美國馬薩諸塞州納蒂克）中的約束最小化程序，目的是最大程度地減輕網格殼的質量。約束方程由解析模型表示，這些模型近似于結構的剛度屬性和各種失效機制。每一種配置都得到單獨優化。“然后，為Anisogrid的六邊形和三角形單元系統制定特定的解析模型，這樣，我們就能夠識別屈曲機制并了解以前被低估的環肋的作用。”Totaro 說道，“我們還解析公式化了蒙皮的局部屈曲，它發生在六邊形的局部，并沿結構傳播。它還幫助確定了蒙皮層壓板的最佳鋪疊順序。這些模型通常是使用Maple軟件（Maplesoft，加拿大安大略省滑鐵盧）制定的。”
CIRA 的三階段設計優化方法探索了Anisogrid參數（左），以向下選擇最佳配置，用于開展簡單的有限元分析，從而為最終的 3D CAD 應力分析輸出最佳配置（右）（圖片來源：CIRA 和 ESA）
2. 簡單的有限元模型。一旦確定了實現最輕質量的最佳候選方案，該方案就會被轉化為有限元模型，該模型由簡單的一維“條形”單元（用于肋）和二維單元（用于蒙皮）組成。“這些模型可以在幾分鐘內自動生成，目的只是為了驗證預期的剛度和強度性能是否能合理實現，并有可能用于輕松調整肋的橫截面或蒙皮的鋪疊順序，最終完善該解決方案。”Totaro 說道?；跒?Nastran 求解器（可從多個供應商處獲得）構建輸入文件的特定例程，此過程相對較快。“然后，我們進行更精細的分析并再次向下選擇。”Totaro 說道，“在確定了肋的最終構型和橫截面后，該階段即結束。”
3. 最終的三維模型。然后，將最終的設計轉化為三維CAD 模型，這為工裝制造和定義生產工藝（芯軸、模具、接口）以及構建最終的三維有限元模型以進行詳細的應力-應變分析提供了基本的輸入文件。在該階段，最初從以前的簡化版本中被排除的所有材料屬性和附加結構元素都被引入到有限元模型中進行分析。
因此，通過簡化下選過程，可以最大程度地減少耗時的高計算分析并快速完成，但該過程仍要考慮對Anisogrid的結構行為最為重要的性能因素。
“Totaro多年的開發幫助CIRA很好地理解了Anisogrids的分析模型。”De Nicola 說道，“而這還是一個非?？斓倪^程。這些模型很復雜，但也采用了半解析形式，所以軟件可以快速反饋初始優化結果，然后，我們就可以使用標準的有限元方法對其進行優化。從一開始，我們就努力對Anisogrid結構行為進行真正的了解，這并不常見。我們沒有一個帶有需要優化的普通單元的通用模型，而是擁有網格結構行為的特定知識。同樣，這引導我們開發了新的設計方法，為輕量化和高效化帶來了新的機會。”
脫模
De Nicola表示，對于錐形結構或大型圓柱體而言，在灌注樹脂且固化后，取出芯軸通常不是問題。“我們可能難以處理像吊桿這樣的細長圓柱體，這需要一個機械提取裝置來移除芯軸，但通常是在不施加高載荷的情況下將其取出。對于摩擦力較高的較長結構，我們在硅膠模板與鋁芯軸之間應用了特氟龍層。”
在固化過程中，鋁芯軸的膨脹有助于部件固化，其在冷卻過程中的收縮還有助于脫模。De Nicola介紹說，在芯軸上方的硅膠板工裝有較高的熱膨脹性，這在固化過程中還有助于壓實材料。“我們將這種膨脹考慮進來，以便正確地確定復合材料肋的尺寸。”
部件取出后，去除剝離層，便可獲得表面質量高的成品。對于無蒙皮的復合材料Anisogrids而言，去除其肋間空隙處的固化樹脂膜是很容易的。“它非常薄，只有十分之幾毫米厚，而且分布在整個表面上，可以在幾分鐘內把它切掉或敲掉。”
完成的 CFRP Anisogrid臂結構（圖片來源：CIRA 和 ESA）
越來越多的應用
從大型結構到小型結構，CIRA已證明了其設計和制造方法的能力和多用性，用于 Vega-C太空發射器的直徑2.4m、長2m的2/3級間就是一個關鍵例證。“我們用了3周時間纏繞完成了第一個 Vega-C 級間原型，然后我們與Avio合作，熟化并加快了這一過程。2018年，在成功完成測試（包括彎曲剛度評估和施加高達750t的壓縮載荷）后，Avio制造了這些認證部件。”De Nicola 說道。
Vega-C于2022年首飛，但由于Zefiro電機的噴嘴出現故障，任務在第二次發射后暫停。Vega-C 計劃于2024 年晚些時候恢復飛行，并在2025年實施密集的發射計劃。
CIRA 還制造了一款長0.64m、直徑1.4m的錐形適配器，質量僅為7kg，比CFRP參考方案要輕30%，卻可以承受80t的壓縮載荷。該結構的制造包括在沉積過程中將70個光纖布拉格光柵（FBG）傳感器嵌入到螺旋肋中，以展示集成結構健康監測 （SHM） 和傳感系統的可行性。“該系統在機械測試過程中運行得非常好，實現了對應變傳感器的精確覆蓋，從而可以更好地了解結構行為并驗證結構的詳細的有限元模型。”Totaro介紹說。
另一個應用是CIRA制造的直徑1.2m、長2.7m的中型衛星中心管主結構原型，該部件不僅平衡好了剛度和強度方面的要求，還實現了低于14kg/m的比質量，這要比傳統的復合材料殼體結構輕20%。
CIRA采用的機器人纏繞、樹脂灌注和非熱壓罐固化的方法，已在越來越多的結構制造中得到了驗證，包括錐形承載適配器、圓柱形空間結構以及現在用于未來航天應用的更廣泛的結構（圖片來源：CIRA 和 ESA）
在此部件中，平行纏繞被用來集成“黑環”——這是一種寬度較大的環肋，按兩個方向纏繞的纖維為螺栓連接提供了承載強度。“這些環通常沿殼體結構的邊緣引入，作為與相鄰組件的法蘭的接口。”Totaro 說道，“它們還被集成到需要對連接點進行局部加固的結構中。為減輕質量，我們可以靈活地集成與肋同高（徑向厚度）或深度減小（如徑向厚度只有一半或更?。┑暮诃h。”
環向纏繞的黑環要比環肋寬，它為螺栓連接提供了連接點（圖片來源：CIRA 和 ESA）
CIRA最新的范例是一個直徑120mm、長1.5m的細長的CFRP Anisogrid吊桿段，用于可展開式衛星天線。其設計要求在受熱狀態下確保尺寸穩定性，以及具有高的剛度/重量比。CIRA 采用細肋（橫截面為1.5mm×3.6mm），實現了0.5kg/m的比質量。“為了以均勻的蒙皮達到相似的質量，要求層壓板僅厚1mm或更薄，這就使得實現理想的鋪疊順序以滿足剛度、CTE 和強度等綜合要求變得更加困難。”Totaro說道。
“由于我們使用的是干纖維而不是預浸料，因此在單向纖維路徑上沒有變形，在節點處也沒有堆積。”De Nicola介紹說，“交織還使結構因其質量而具有極強的抗損傷性。我們更為高效的設計方法與我們的制造方法相結合，使得復合材料的Anisogrids成為更實用的方案，不僅適用于航天器，還適用于更廣泛的航天應用。我們看到了我們的設計和制造方法的巨大潛力，未來，我們將繼續開發更輕、更高效的復合材料結構。”
原文鏈接：
https://www.compositesworld.com/articles/low-cost-efficient-cfrp-anisogrid-lattice-structures-
內容翻譯：蘇州空天復材團隊
