碳纤维复合材料在卫星天线结构中的铺层设计

碳纤维复合材料在卫星天线结构中的铺层设计

随着航天技术的发展，宽频段、高增益、大口径的天线在航天领域的应用越来越广泛。众所周知，卫星对质量非常敏感而太空环境十分恶劣温度变化剧烈，因此需要寻找合适的材料来降低天线的质量，以便提高这些天线的环境适应能力。

碳纤维复合材料是以树脂为基体、碳纤维为增强体的复合材料具有质量轻、模量高、热膨胀系数低等特点。

碳纤维本身具有导电性，在一定的频率范围内能够完成天线电磁波的发射或接收，能够承受住一定的功率。因此用碳纤维复合材料制作的天线不仅能保证天线的电性能，而且质量轻、比强度高、抗冲击振动能力强，能承受高低温循环、热真空等严酷的环境的考验。 碳纤维复合材料是一种各向异性材料，沿纤维轴方向和垂直于纤维轴方向的电磁、热、力学性能都有明显的差别。这样的各向异性给设计带来了更多可选择性，研发人员可以通过合适的铺层方向和层数来满足强度、刚度和其他特殊要求，为结构的优化设计提供了巨大的设计空间，这一点是传统的金属材料不能比拟的。

碳纤维复合材料中的碳纤维和树脂的性能差别很大，碳纤维丝束各向异性轴向和径向性能相差很大，而树脂在固化过程中收缩较大。因此合理的铺层设计是碳纤维复合材料天线取得较佳的机械性能和电性能的关键因素。 由于碳纤维轴向和径向的热膨胀系数相差较大，因此只有采用准各向同性对称铺层，并利用高模量纤维轴向热膨胀系数为负值，来抵消径向较大的热膨胀系数，才能使各向热膨胀系数接近“零”，以此保证星载天线在高低温变化剧烈的太空环境中保持稳定的型面精度。

在碳纤维铺层设计中尽量减少纤维断口和搭接，同时保证纤维铺放有序，重点保证铺层的对称性，以减少翘曲变形来提高天线部件的精度。由于碳纤维材料严重的各向异性，在平面内会产生特殊的拉剪耦合效应，因此除了采用0 、90 的正交铺层外应尽量采用 θ 方式的铺层设计使纤维方向在分层的平面内均匀分布。 碳纤维复合材料面天线的电性能指标主要取决于面天线内表层材料的导电性。

因此面天线内表层材料优选M系列高模量的碳纤维，以保证天线较低的驻波和较高的增益指标。其余增强层选强度较高、价格相对便宜的T系列碳纤维。将高模量的M系列和高强度的T系列碳纤维组合使用，在天线的电性能、刚强度、价格等方面进行折中以满足工程应用要求。

复合材料铺层图怎么画

复合材料铺层图使用Abaqus/CAE制作。复合材料铺层图使用Abaqus/CAE制作。

在Abaqus/CAE中，有专门的复合材料设计模块，应用该模块可对复合材料进行铺层设计。

选择铺层应用的区域、使用的材料、铺层的铺设角度、厚度等。

catia复合材料铺层设计中，怎么导入铺层表

制作有很多方法。但目前以预浸料铺层和RTM（树脂传递模塑成型）为主。

预浸料铺层在国内用的已经比较成熟，该方法是直接将剪裁好的预浸料片层铺叠在模具上，再在材料上铺放辅助材料后送入热压罐（现阶段主要固化设备）固化成型。

RTM在国外用的比较成熟，国内在这块儿用的没有国外好，该方法是先将纤维丝束或纤维带用缠绕或铺叠的方法铺放在模具上，然后闭合模具，将树脂注入到闭合模具中浸润增强材料并直接加热模具进行固化的工艺方法。该项技术可不用预浸料、热压罐，有效地降低设备成本、成型成本。三点弯曲实验后一般是用SEM观察层面，以评估纤维与树脂的界面结合情况。

复合材料湿铺层的含义

复合材料湿铺层指的是使用复合材料（如钢和混凝土）制成的铺层。根据查询相关公开信息显示，复合材料湿铺层采用湿法施工，由钢筋和混凝土构成，是一种新型的复合材料铺层。

可以有效地提高道路表层的强度、耐久性和抗滑移性能，可以满足道路的各种要求。

风机叶片是如何设计的?

风机叶片约占风机总成本的15%-20%,目前大型风力发电机的叶片基本上是由复合材料构成,复合材料含量通常超过80%。据统计,风机叶片尺寸每增大6%,捕获的风能可增加12%。

叶片的设计初衷是获得动力学效率和结构设计的平衡。

材料和工艺的选择决定了叶片最终的实际厚度和成本。结构设计人员在如何将设计原则和制造工艺相结合的工作中扮演着重要角色,必须找出保证性能与降低成本之间的最优方案。叶片受力分析:叶片上承受的推力驱动叶片转动。推力的分布不是均匀的而是与叶片长度成比例分布。

叶尖部承受的推力要大于叶根部。大梁设计:由于叶片自重和外部推力产生的弯曲变形是叶片的最主要载荷,为了提高弯曲性能,在叶片的长度方向上采用单向纤维布,且中间通过抗剪腹板将上下两层梁帽尽可能分隔开,抗剪腹板采用对角铺放的双向纤维布加泡沫(PET)芯材构成,起到增加整体刚性的作用。内部梁结构:为了降低生产成本,设计中可以去除一些不必要的材料,常见的叶片都采用中空式设计。

叶壳:叶壳的作用主要是提供空气动力学外形。叶壳的夹芯结构增加了刚性,夹芯结构由玻璃钢表层中间加泡沫(PET)芯材或巴沙轻木(BALTEK)芯材构成。夹芯结构具备足够的刚性承担弯曲载荷同时防止脱粘。

叶壳中的对角分布的纤维提供了必要的抗扭刚性。叶根设计:叶根部分通常设计为圆形。同时为了满足维护等需要,叶片根部多以螺栓连接以便于拆装。

对于金属大梁可以采用焊接的法兰连接。几何尺寸优化设计:在不改变叶片几何外形的条件下,通过调整梁帽的薄厚来改变叶片性能,降低生产成本。厚度较薄的叶片需要配以更厚的梁帽,但会增加生产成本。同时腹板强度也需提高,但因为厚度变薄所以总的材料用量没有明显变化。

综上所述,几何尺寸的优化设计需要从风机设计,载荷分析,结构设计和制造成本等多方面综合考量才能获得最佳的结果。