基于碳纤维复合材料的低温贮箱支撑杆设计与仿真

张展智，陈 亮，郑红飞，庄方方，闫指江

（1.中国运载火箭技术研究院研究发展中心，北京100076；2.航天材料及工艺研究所，北京100076）

基于碳纤维复合材料的低温贮箱支撑杆设计与仿真

张展智1，陈 亮2，郑红飞2，庄方方1，闫指江1

（1.中国运载火箭技术研究院研究发展中心，北京100076；2.航天材料及工艺研究所，北京100076）

针对碳纤维复合材料在运载火箭低温贮箱支撑杆中的应用问题，基于碳纤维复合材料单向板力学性能测试结果，对低温贮箱支撑杆的材料和铺层进行了设计，并通过静力学仿真分析对设计方案进行了验证，结果表明：在298 K和77 K温度下，T800单向板的力学性能均优于T700单向板，更适于制造低温贮箱支撑杆；以9°为主角度铺设72层T800增强纤维的低温贮箱支撑杆，其298 K和77 K温度下的拉伸强度和压缩强度可以很好地满足运载火箭低温贮箱支撑杆的设计强度要求。

低温；支撑杆；碳纤维复合材料；性能测试；静力学分析

1 引言

复合材料支撑结构被越来越多地用于空间承力结构，以满足空间工程苛刻的减重要求［1⁃3］。如美国X⁃33验证机上连接发动机与两个液氢贮箱的碳纤维／环氧复合材料多功能推力架结构，连接液氧贮箱和液氢贮箱的IM7／APC2热成型架结构等，通过金属接头连接在两个钛合金端框上，有效承载能力达到了200 t左右［4］。

由于设计能力及工艺水平的限制，目前我国运载火箭箱间段全部采用金属支撑结构。某型在研运载火箭拟采用液氢／液氧作为推进剂，箱间段拟采用复合材料支撑杆以利于减重和降低漏热。将复合材料应用于低温贮箱的支撑结构，必须重点考核材料在低温下的力学性能。赵福祥等比较了几种纤维复合材料单向板的性能，指出碳纤维复合材料在低温下具有最佳的性能表现，但还有必要对碳纤维复合材料进行试验研究［5］。

本文采用自研低温树脂制作了碳纤维复合材料单向板，测试其在298 K和77 K温度下的力学性能。并以此数据作为输入条件，设计复合材料低温贮箱支撑杆。并采用静力学仿真方法分析杆件在298 K和77 K温度下对应的强度，以验证设计的可行性。

2 单向板力学性能测试

2.1 试样制备

为了获得碳纤维复合材料在常温和低温下的强度数据，为低温贮箱支撑杆选择合适的材料，制作了碳纤维复合材料单向板试样，并测试其在298 K和77 K温度下的力学性能。

碳纤维复合材料单向板的增强纤维选用T700SC⁃12K和T800HB⁃12K，树脂选用自研的低温环氧树脂。

试样的制备和测试按照单向纤维增强材料拉伸性能和压缩性能相关试验标准执行［6⁃7］。

碳纤维复合材料单向板拉伸试样的尺寸为230 mm×（12.5±0.2）mm×1 mm，压缩试样尺寸为140 mm×（6±0.1）mm×2 mm。

2.2 测试结果

T700单向板和T800单向板在298 K和77 K温度下的拉伸性能如表1所示。

从表1中可以看出，在298 K温度下，T800单向板的0°拉伸强度和0°拉伸模量均高于T700单向板。在低温性能方面，T700单向板77 K温度下的0°拉伸强度低于298 K温度，而T800单向板77 K温度下的0°拉伸强度则高于298 K温度。两种材料77 K温度下的拉伸模量均高于298 K温度。

T700单向板和T800单向板在298 K和77 K温度下的压缩性能如表2所示。

从表2中可以看出，在298 K温度下，T800单向板的0°压缩强度和0°压缩模量均高于T700单向板。在低温性能方面，两种材料在77 K温度下的压缩强度和压缩模量均高于298 K温度，T800单向板在77 K温度下的压缩强度和压缩模量高于T700单向板。

表1 单向板298 K和77 K温度下的拉伸性能Table 1 Tensile properties of unidirectional lam inate at 298 K and 77 K

表2 单向板298 K和77 K温度下的压缩性能Table 2 Com p ression properties of unidirectional lam inate at 298 K and 77 K

3 支撑杆设计

3.1 设计要求

支撑杆为管型构件，依据某型运载火箭总体技术方案，支撑杆的设计要求如表3所示。

表3 支撑杆设计要求Table 3 Param eters of cryogenic tank strut

根据碳纤维复合材料单向板力学性能测试的结果，低温贮箱支撑杆选择T800HB⁃12K作为增强纤维，且纤维铺层角度接近0°，有助于提高支撑杆的拉压性能。

3.2 铺层角度分析

T800HB⁃12K碳纤维铺层的单层厚度为0.139 mm，对于壁厚为10 mm的支撑杆，需要72层铺层才能满足其尺寸要求。假设碳纤维铺层的主角度为X°，同时考虑到层间剪切和脱模的影响，增加45°铺层，支撑杆的铺层方式设计为［（±45／±X4）7／±45］，共72层。以T800单向板力学性能测试数据作为输入条件，计算分析了碳纤维铺层主角度为0°～18°时，支撑杆在298 K时的拉伸和压缩强度。计算结果如图1和图2所示。

计算结果表明支撑杆的拉伸和压缩破坏都随主角度的增大而降低，并且主角度越大，破坏强度下降得越快。因此，为使支撑杆获得尽可能大的拉伸和压缩强度，应尽可能使用小的主角度。综合考虑缠绕成型的工艺可行性和纤维的使用率，选择9°作为支撑杆的主角度。

4 静力学仿真

4.1 拉伸性能分析

以碳纤维复合材料单向板的力学性能测试数据作为输入条件，建立铺层主角度为9°的低温贮箱支撑杆的仿真模型，使用有限元方法分析其在298 K和77 K下的拉伸强度。

支撑杆9°铺层在298 K和77 K温度下的拉伸破坏应力云图分别如图3和图4所示。

根据最大应力准则，在298 K温度下，当支撑杆拉伸应力为2102 MPa时，其9°铺层拉伸应力为2655～2666 MPa，达到了通过力学性能测试获得的T800单向板的拉伸强度，因此可以认为支撑杆的拉伸强度为2102 MPa。同理，在77 K温度下，当支撑杆拉伸应力为2190 MPa时，其9°铺层拉伸应力为2777～2790 MPa，达到拉伸强度，因此可以认为支撑杆的拉伸强度为2190 MPa。

在298 K和77 K温度下，相对于370 MPa的最大拉应力设计要求，支撑杆的拉伸强度都能够予以满足，且留有较大的设计余量。

4.2 压缩性能分析

采用同样的方法分析支撑杆在298 K和77 K下的压缩强度。支撑杆9°铺层在298 K和77 K温度下的压缩破坏应力云图分别如图5和图6所示。

根据最大应力准则，在298 K温度下，当支撑杆压缩应力为1323 MPa时，其9°铺层压缩应力为1635～1642 MPa，达到测得的T800单向板的压缩强度，因此支撑杆的压缩强度为1323 MPa。在77 K温度下，当支撑杆压缩应力为1420 MPa时，其9°铺层压缩应力为1768～1776 MPa，达到压缩强度，因此支撑杆的压缩强度为1420 MPa。

可见在298 K和77 K温度下，相对于320 MPa的最大压应力设计要求，支撑杆的压缩强度仍然能够予以满足。

5 结论

根据碳纤维复合材料单向板的力学性能测试结果，采用T800／低温环氧树脂设计了铺层为［（±45／±94）7／±45］的低温贮箱支撑杆。在298 K温度下，支撑杆的拉伸强度为2102 MPa，压缩强度为1 323 MPa；在77 K温度下，支撑杆的拉伸强度为2190 MPa，压缩强度为1420 MPa，均可满足设计要求。

（References）

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［4］ Wu K C，Jegley D C，Barnard A，et al.Highly loaded com⁃posite strut test results［C］／／SAMPE Europe 32nd Interna⁃tional Conference and Forum，Paris，2011.

［5］ 赵福祥，魏蔚，刘康，等.纤维复合材料在低温容器内支撑结构中的应用［J］.低温工程，2005（3）：23⁃26. Zhao Fuxiang，WeiWei，Liu Kang，et al.Properties of fibre reinforced plastic used in the inner supporting structure of cry⁃ogenic vessels［J］.Cryogenics，2005（3）：23⁃26.（in Chi⁃nese）

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［7］ GB／T3856⁃2005，单向纤维增强塑料平板压缩性能试验方法［S］.北京：中国标准出版社，2005. GB／T3856⁃2005，Test method for compression properties of unidirectional fiber reinforced plastics［S］.Beijing：Standards Press of China，2005.（in Chinese）

Design and Static Simulation Analysis of Cryogenic Tank Strut Based on Carbon Fiber Reinforced Composites

ZHANG Zhanzhi1，CHEN Liang2，ZHENG Hongfei2，ZHUANG Fangfang1，YAN Zhijiang1
（1.China Academy of Launch Vehicle Technology Research＆Development Centre，Beijing 100076，China；2.Aerospace Research Institute of Materials＆Processing Technology，Beijing 100076，China）

For the application of carbon fiber reinforced composites in cryogenic tank struts of the launch vehicle，the reinforcingmaterial and the layers of cryogenic tank strutswere designed based on themechanical performance testing results of a series of unidirectional laminates.The static simu⁃lation analysis validated that：at the temperature of both 298 K and 77 K，themechanical perform⁃ance of T800 unidirectional laminateswas superior to that of the T700 unidirectional laminates and thusmore appropriate tomanufacture the cryogenic tank struts；the tensile strength and the compres⁃sion strength of the cryogenic tank strut，designed with 72 layers of T800 fibers inmain angle of9°，could sufficientlymeet the design requirements of the launch vehicle，at both 298 K and 77 K

cryogenic；strut；carbon fiber reinforced composites；performance test；static analysis

V414.8

A

1674⁃5825（2017）01⁃0061⁃04

2015⁃10⁃22；

2017⁃01⁃09

载人航天预先研究项目（060301）

张展智，男，博士，工程师，研究方向为航天运输系统总体设计。E⁃mail：zhangzhanzhi＠buaa.edu.cn