布里斯托大学力学顶刊:复合材料点阵结构综述【收藏版】

1导读


减轻结构重量,提高结构效率一直是工程设计中迫切需要解决的问题。从设计角度来看,有提高结构效率有两种思路:(1)替换材料(2)改变结构构型。点阵结构是由一系列单独元件通过接头连接起来的网络状几何结构,组成元件主要承受轴向载荷。可以通过将材料分配到局部的离散元件提高结构承载效率(例如可以将材料分配远离弯曲轴线或扭转轴线的位置,来提升弯曲刚度和扭转刚度)。


将复合材料应用于点阵结构同样具有很强的优势:复合材料因其各向异性,具有很强的可设计性,可以通过铺层设计使主要轴向承载元件的性能最大化。将复合材料与点阵结构构型相结合,可以达到意想不到的高结构效率。


近年来有关复合点阵结构的研究兴趣增多,但到目前为止,其在工业设计中的应用仍受到很大限制。主要原因是复合材料点阵结构的元件组装、连接异常困难。


广义上讲,复合材料点阵结构的制造方法有两种。第一种传统的制造方法中,点阵元件是预先制作好的,然后组装成点阵结构体。这种方法制作的点阵结构相邻元件之间的接头处纤维存在不连续。第二种方法使用更先进的制造技术来同时成型点阵元件和几何体,如连续纤维增材制造。后一种方法可使相邻元件之间的纤维保持一定的连续性,并可以大大减少或消除复合材料连接件。然而,这种方法也同样面临自身的挑战。例如,在开放点阵几何体中使用复合材料会使构件难以固结。如何有效地制造这些复合材料点阵结构是充分释放点阵结构潜力的关键问题。


2022年,在新一期的《Composite Structures》期刊上,刊出了英国布里斯托大学有关复合材料点阵结构的综述文章《A review of composite lattice structures》,文章以复合材料点阵结构制造为重点,对不同结构形式的复合材料点阵结构及其制造工艺进行了详细综述。

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文章将复合点阵结构分为以下三类:

  • 复合材料点阵梁结构(Composite lattice beam structures,CLB) :

  • 复合材料格栅加筋结构(Composite grid stiffened panel structures,  CGSP)

  • 复合材料点阵夹芯结构 (Composite lattice core sandwich panel structures,CLCSP) 


2 复合材料点阵梁结构

复合材料点阵梁结构宏观上由一系列一维梁排列组成,包含平行于梁轴线的纵向构件和斜向于梁轴线的剪力构件,纵向构件主要承担轴向和弯曲荷载,而剪切构件承担剪切和扭转荷载。该结构弯曲效率很高,同时具有较高的轴向刚度和强度。基本元件通常由缠绕工艺制备而成。


2.1 复合材料点阵梁结构技术


复合材料点阵梁结构主要有以下几种类型:


(1)组合式复合材料桁架结构

此类结构最早出现在1997 年,Schütze发表的文章中详细介绍 了Zeppelin-NT 飞艇中使用了复合材料点阵梁结构概念,这些梁具有等边三角形截面,并使用将单个构件粘接在一起的传统方法制造。这些构件由新型“夹层支柱”构成,采用轻质泡沫芯材,外围环绕薄的单向 (UD) 复合材料层和编织玻璃布。该桁架的重量约为同类铝桁架重量的一半。

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等边三角形截面桁架结构


(2)IsoTruss结构及其衍生结构

IsoTruss是在本世纪初崭露头角的。由美国犹他州Brigham Young University研发,并为此注册了“Isotrade”的商标。


IsoTrusses 的制造涉及连续纤维缠绕,以同时形成晶格几何形状和单个构件。这些结构的几何形状很复杂,具有不同的横截面形状和几种不同的布局。研究最多的布局称为 6 节点 IsoTruss,由六个纵向构件和两组相对的六个螺旋构件组成。其他变体还包括 8 节点和双壳 IsoTruss。

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6 节点IsoTruss结构

从 IsoTruss衍生的另一种结构是矩形截面 的IsoBeam 技术,与IsoTruss相比,IsoBeam 通过重新定位远离梁中性轴的一些纵向构件来提高抗弯刚度。然而,这是以增加制造复杂性为代价的。目前,关于这一概念已经通过实验研究了由预浸材料的长丝缠绕制造样品的弯曲行为。

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矩形截面IsoBeam


(3)WrapToR 桁架

2012 年,马里兰大学的研究人员发表了 2009 年开始的关于打破世界纪录的 Gamera II 人力直升机的设计工作。为了满足直升机叶片和机身的严苛质量要求,设计师开发了一种新型复合材料点阵梁,该梁采用纤维缠绕法制造。该概念后来被命名为缠绕式丝束增强 (WrapToR) 桁架。WrapToR 桁架制造过程包括将预制管状复合材料纵向构件固定在旋转心轴上,同时将湿纤维束缠绕在它们周围。然后将润湿的丝束固化,形成剪切构件,这些剪切构件同时彼此共固化并与下面的纵向构件共胶接。

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三角形截面梁WrapToR 桁架


(4)纤维缠绕 GFRP 桁架

2011 年由Ju 等人提出了玻璃纤维增强聚合物 (GRFP) 桁架概念。该结构具有三个纵向构件,形成等边三角形的截面形状。纵向构件由与纵向轴线对角延伸的螺旋缠绕构件和垂直于梁纵向轴线延伸的垂直支柱连接。

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(5)开放式复合材料结构

open-architecture composite structures (简称,O-ACS),这类结构通过在圆柱形芯轴上进行maypole编织来制造。最终的点阵梁由纵向构件和两组反向螺旋构件组成。通过改变编织模式,可以生产具有不同数量的纵向和螺旋构件的梁。

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(6)连续梁概念

美国San Diego复合材料公司正在开发的一种连续制造工艺,以生产方形截面点阵梁。该工艺名为“先进复合材料桁架的连续打印”(continuous printing of advanced composite trusses,CP-ACT),旨在现场制造大型空间结构。与WrapToR桁架不同,ACT在纵向构件中使用预浸料,产生共固化晶格结构。在已发表的工作中,连续过程没有详细说明,测试的样品是用纤维缠绕法生产的。


另一家名为Tethers Unlimited的公司正在开发一种类似的空间结构原位制造技术。这个系统叫做SpiderFab,设计用于在轨制造和组装点阵梁。该项目最初发布的是一种名为Trusselator的桁架打印机,点阵结构梁使用热塑性复合材料(碳纤维/聚醚醚酮),该材料在空间环境中能保持优异的性能。

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热塑性桁架梁


2.2 复合材料点阵梁制造、加固及增强方法


复合材料点阵梁的制造工艺主要来源于纤维缠绕或编织。两者都是成熟的、高度自动化的复合材料制造工艺。编织技术以增加复杂性为代价,提供了连续梁制造的潜力。纤维缠绕提供了一个更直接的过程,在该过程中,当考虑心轴刚度时梁的长度需受到一定限制。在一些技术中,例如IsoTruss和ACT,已经提出通过编织进行生产,但原作者选择在制造试样时使用纤维缠绕。


在编织或纤维缠绕梁中,点阵构件由连续的复合材料纱线组成,这些复合材料纱线贯穿整个梁的长度。这种方法的一个关键挑战是将各个元件组合成一个整体。IsoTruss和IsoBeam结构中的首选方法是在缠绕后用Kevlar进行包裹;O-ACS技术采用的另一种方法是在构件上编织一个外套管,以提供加固。这种方法不需要额外的制造步骤,因为构件的编织与结构的编织同时进行。与Kevlar包裹法不同,该方法不提供接头加固。


用Kevlar后处理包覆的IsoTruss和IsoBeam样品是唯一的节点采用纤维增强的点阵梁,其他所有技术都依赖于聚合物粘结。对于使用热固性树脂体系的技术,使用了胶接、共胶接和共固化等连接技术。在Trusselator机器生产的点阵梁中,元件之间的热塑性粘结是通过将加热的熨斗压在接头上而形成的。

3 复合材料格栅加筋结构


复合材料格栅加筋结构是由一系列复合加强筋构成的结构,这些加强筋排列成重复的二维(2D)平面网格形式。网格结构通常与复合材料蒙皮粘接或共固化以形成连续的表面。格栅加筋通常做成弯曲的,形成圆柱形或锥形表面,对轴向压缩载荷表现出优异的抵抗力,因此已被用于运载火箭承力结构。


3.1单壁格栅加筋结构


格栅加筋的重复几何布置特别适合通过纤维缠绕进行制造,尤其是圆柱形结构。俄罗斯曾使用纤维缠绕来制造用于质子M运载火箭有效载荷适配器结构。该运载火箭成功发射40次,与铝合金结构相比,该适配器的质量降低了60%,成本降低了30%。


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纤维缠绕轴


2001 年,Han 和 Tsai 提出了一种嵌锁复合材料格栅结构 (interlocked composite grid,ILCG) ,使用单向拉挤纤维制作了筋条,并沿每个肋条的长度切割了半高槽。然后使用槽连接相对的垂直肋来创建正交格栅,并添加复合材料覆盖层以加强开槽接头。这种连接方法多年来一直用于木材和金属结构,但由于需要在筋条上切槽以实现互锁,不利于连续纤维复合材料性能的发挥,且失效易发生在槽根部。

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另外,还可以通过自动铺丝工艺来制造正交格栅加筋板。通过自动铺丝机的“Clamp-Cut-Continue”功能来减少筋条交叉点的堆积和波纹。

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3.2格栅夹芯结构


格栅夹芯结构与单壁格栅加筋结构的主要区别是格栅夹芯结构包含内外壁板,格栅加筋结构只包含单侧壁板。

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3.3.格栅结构制造方法和注意事项


(1) 纤维缠绕与自动铺丝

纤维缠绕和自动铺丝都可以用于制造格栅加筋结构。这两种方法都允许自动放置纤维,但是结构的最终几何形状极大地影响了哪种方法最实用。迄今为止,纤维缠绕在圆柱形和圆锥形结构中应用最多,纤维缠绕也允许连续丝束铺设,如果使用合适的缠绕路径,整个结构不会出现不连续。


对于开口截面异形结构和平板,纤维缠绕不太适合。对于这类结构,适合采用自动铺丝工艺,自动铺丝还可以为加强板铺层生成重复的几何图案。自动铺丝非常适合平面结构和曲率较小的面板。虽然自动铺丝允许连续丝束铺设,但当转向半径较小时,需要切断纤维,以防止弯曲同时允许纤维路径重置。同样,这适用于具有开口截面轮廓的平板或简单弯曲面板。


(2)加强筋交叉处的材料堆积

格栅结构制造中固有的问题是加强筋交叉处的材料堆积。筋的交叉导致纤维桥接,并在交叉区域形成富脂区(下图),从而降低机械性能并导致早期失效。为了解决这个问题,通常采用三种方法。


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第一种方法是允许加强筋的尺寸在接近交叉点时发生变化。通常,通过允许模具具有足够的灵活性来改变格栅厚度。厚度变化会导致平面外纤维波动,降低机械性能,尤其是在压缩条件下。NLR的研究人员使用自动铺放工艺,将交叉处的纵梁进行局部减薄和加宽,保持筋条总厚度不变。如下图左所示。虽然这种方法可以适用于以大约90°相交并且具有大部分双对称轮廓的筋,但是对于不具有双对称相交的不等轴格栅结构,筋的加宽仍然会导致厚度和纤维桥接的增加。


第二种方法是保持尺寸不变,但通过改变树脂含量来进行补偿。这种方法导致加强筋中的高树脂含量和交叉处的高纤维含量。这种方法的主要缺点是加强筋的机械性能随之降低。


第三种方法是去除材料。这种方法不可避免地导致交叉点处的纤维不连续。德国航天中心的研究人员利用自动铺带的切割能力实现了这一点。在铺放过程中交替切割层,以产生具有恒定厚度、宽度和树脂含量的配置(参见下图右)。这种方法的明显缺点是纤维的不连续性导致交叉部分的载荷传递效率低。

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4 复合材料点阵夹芯结构


复合材料点阵夹芯结构是目前有潜力替代传统蜂窝或泡沫夹芯结构的一种新型轻质结构,与复合材料点阵梁结构类似,复合材料点阵夹芯结构也能够在较小的质量损失情况下将材料移动到远离中性轴的位置,因此与传统芯材相比,其结构效率更高。


前面展示的格栅加筋结属于2D点阵夹芯结构,更为广泛的是3D空间点阵夹芯结构。


4.1 单组分点阵夹层结构


在单组分点阵夹层结构系列中,根据内部构件的制造方式,可以分为四类:

  • 嵌锁/缝合点阵夹芯

  • 轧制预浸材料支柱

  • 共固化波纹点阵夹芯

  • 泡沫芯模编织网夹芯


(1)嵌锁/缝合点阵夹芯

下图所示是一种“交织碳纤维增强点阵结构”。上下两个层压板上钻有成排的孔。浸胶的纤维束通过面板中的孔缝合,布置成在八面体立方晶胞,然后形成3D点阵芯材。在缝合过程之后,通过增加上下面板之间的间隔来扩大芯材,从而在无需内部模具的情况下张紧和拉直丝束。然后在面板外侧增加覆盖层,以达到期望的厚度和平滑度。整个组件在热压罐中固化。

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三维交错点阵夹层


类似的还有八面体缝合夹芯和桁架编织夹芯。芯材的成型还可以使用真空辅助树脂传递模塑(VARTM)或消失模。


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缝合点阵夹芯

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采用消失模和VARTM制作的点阵夹芯结构


(2)轧制预浸材料支柱

在这种方法中,通过将碳纤维预浸料的预切割片卷成棒状来制成金字塔形点阵结构的支柱。然后将轧制的支柱插入穿孔预浸料面板之间的可拆卸金属模具中。夹层板通过热压进行加固。

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(3)共固化波纹点阵夹芯

这类结构由多组件组成,芯材和面板之间采用共固化连接,支柱的几何形状可以不断变化来适应载荷的分布。

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(4)泡沫芯模编织网夹芯

该结构属于一种混合点阵夹芯结构,由金字塔形碳纤维晶格芯材和聚合物泡沫构成。碳纤维编织芯材通过三维编织制成,然后使用Kevlar纤维将编织网的节点缝合到3D编织织物面板上。整个结构通过被真空袋抽真空注入环氧树脂。在树脂的真空灌注过程中,泡沫支撑并限定了晶格的横截面形状,泡沫被嵌入在里面,因此也有助于增强点阵夹芯结构的强度和抗冲击性。

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4.2 多组分点阵夹层结构


(1)热压成型预浸带

基于三维空间可铺设细长预浸带的模具,通过热压固化形成金字塔形网格结构。

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(2)波纹板或预浸料片切割

通过在波纹模具中热压单向CFRP预浸料制备成波纹复合板。然后用数控激光切割机将波纹板切割成不同类型的桁架芯材。

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(3)丝网编织–单向拉挤支柱嵌入

采用三轴编织形成复合材料编织网,然后与交错的单向拉挤支柱连接在一起形成3D 网格,编织网与支柱组件浸入树脂中进行粘接。

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(4)带导向板的拉挤复合材料杆——UD拉挤插入

使用拉挤复合材料管作为支柱,预钻孔层板作为插入导向板来制造金字塔形晶格芯。使用环氧胶膜将单个晶格芯构件粘合到层压面上。

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(5)层压板卡扣配合

可实现复杂的点阵结构,这种方法的主要特征是通过从层压板切割形成锯齿状互锁结构来组装点阵芯材。芯材与面板通过粘接进行连接。

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卡扣式CFRP八边形桁架结构

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点阵结构切割和折断过程

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点阵结构制造及组装示意图:a)平板卡扣,b)波纹条互锁,c)结构组装


(6)膨胀波纹热塑性片材

该方法首先使用波纹铝模具通过热压成型形成波纹热塑性板。其次,在板材上切割一系列间距一致的槽。再次,将波纹板加热使其沿着与这些槽正交的方向上膨胀,以形成晶格结构。最后,将晶格芯粘接到面板上。需要注意的是,四个连接支柱之间的节点呈V形,不能为连接到面板蒙皮提供平坦的粘合表面。为了缓解这个问题,研究人员制造了三角形嵌件,并将其粘合到节点凹槽中。

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4.3 模具设计


对于各类空间点阵结构,其复杂的几何形状使得相应的模具设计也异常复杂。一般来说,点阵夹层结构模具的复杂性与制作完整面板所需的操作次数成反比。固化后所需的工序越少,所需的模具复杂性就越大。在单部件方法中,由于蒙皮面板包围网格模具,唯一可行的模具是可拆卸模具或利用消失模,另外也可以由留在面板内部的型芯嵌件(例如泡沫)形成模具。


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支柱轧制工装及固化工艺示意图

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使用可拆卸模具制造单组件分级桁架结构

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带有泡沫楔形模具的混合编织点阵结构


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纱线与带孔板的缝合及拉紧


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使用激光切割机进行固化后修整

5. 其他复合材料点阵结构

除了上述几种类型的点阵结构之外,还有一部分特殊的点阵结构,往往涉及能够生产更通用的三维复合晶格的制造过程,这些点阵不限于特定的宏观形式。其制造主要是通过基于长丝沉积模型(FDM)的3D打印机的改进来解决。或者通过螺栓连接、焊接方式组装大型桁架结构。

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连续纤维3D打印概念

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数字变形机翼基本部件和组装结构

6 小结


复合材料点阵结构具有很高的结构效率。然而,到目前为止,关键的制造挑战仍然限制了它们在工业中的采用。与其他轻质材料相比,点阵结构可以在较低的相对密度下实现非常高的结构性能,因此在面板、舱壁、蒙皮结构等一系列应用中具有很大的潜力。


总的来说,复合材料点阵结构在制造更轻、更高效、更可持续的结构方面有着巨大的应用前景,但需要进一步开发基础制造工艺,以确保它们既能实现这一前景,又具有经济吸引力。最终,复合材料点阵结构使用几何体来提高性能,以准确、经济高效且可扩展的方式创建几何体仍然是核心挑战。鉴于目前正在进行的大量研究工作以及提出的各种新解决方案,未来五到十年可能是复合材料点阵结构发展的黄金时期。


原始文献:

Christopher J. Hunt, Francescogiuseppe Morabito, Chris Grace, Yian Zhao, Benjamin K.S. Woods, A review of composite lattice structures,Composite Structures,Volume 284,2022,115120.

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复合材料点阵结构

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