碳纖維復合材料衛星桿件優化設計

鄭傳祥，陸 希，王 亮，吳嘉懿

（1. 浙江大學 化工系，杭州 310027；2. 上海衛星工程研究所，上海 200240）

碳纖維復合材料衛星桿件優化設計

鄭傳祥1，陸 希2，王 亮1，吳嘉懿1

（1. 浙江大學 化工系，杭州 310027；2. 上海衛星工程研究所，上海 200240）

基于微觀力學失效分析，對碳纖維復合材料衛星支架二力桿件進行了優化設計。結果表明，與現有二力桿件相比，通過優化設計的二力桿件可以實現減質量30%以上，而強度保持不變。最后通過多個試件的試驗加以驗證，該優化設計案具有較好的可行性。

碳纖維復合材料；衛星；桿件；優化設計

0 引言

衛星對質量十分敏感。據資料顯示，每減少1 kg質量，可以減少推進燃料150 kg，因此對衛星結構減重具有十分重要的經濟價值。衛星上有很多桿件結構，如天線支架的伸縮桿件，儀器儀表的支撐結構等。桿件結構的受力特點是絕大多數桿件為二力桿件，即為受拉或者受壓桿件[1～9]。為了減輕質量，這類桿件已經采用了輕質和高強的碳纖維復合材料（CFRP）。雖然CFRP的制造方法并不難，但是復合材料的核心技術難點是如何設計。目前我國對復合材料計算方法主要以傳統有限元計算宏觀力學強度為主，將復合材料近似以各向同性材料進行計算，而沒有考慮到復合材料的非線性特性。目前國外逐步發展復合材料基于微觀力學失效（MMF）分析的強度理論，充分考慮了材料的各向異性和非線性，比較真實反映復合材料的失效過程[10～12]。本研究基于微觀力學失效MMF分析對衛星桿件進行優化設計，以進一步減輕桿件質量，最后對桿件進行拉伸和壓縮試驗加以驗證。……