碳纤维增强复合材料反射镜的刚度分析.pdf

《碳纤维增强复合材料反射镜的刚度分析.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《碳纤维增强复合材料反射镜的刚度分析.pdf（4页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、第3 3卷第 2期 2 0 0 4年 2月 光子学报 ACTA P HOTONI CA S I NI CA Vo 1 3 3 No 2 F e b r u a r y 2 0 0 4 碳纤维增强复合材料反射镜 的刚度分析 初昶 波周绍祥(中国科学技术大学精密机械与精密仪器系，合肥 2 3 0 0 2 7)摘要用有限元法对层合板结构和蜂窝夹层结构的两种复合材料反射镜的刚度进行分析计算，分析是 以E x 1 5 2 2环氧树脂为基体，M6 0 J 碳为增强材料的平面反射镜为例进行的，分析 包括不同铺 层取向、顺序的层合板反射镜 自重下的镜面变形；对蜂窝夹层结构反射镜，分别比较 了以芳纶纸、玻 璃布

2、、耐久铝三种 夹层材料的反射镜刚度，对比了碳 纤维复合材料、铍金属、微 晶玻璃为面板材料的 反射镜刚度，讨论了不同蜂窝单元结构形状对反射镜刚度的影响 分析表明，对于以E x 1 5 2 2环氧 树脂为基体，M 6 0 J 碳为增强材料的平面复合材料反射镜，要使其具有相对稳定的面形，应采用单元 形状为正三角形铝蜂 窝，前后面板各为 1 2层 9 0 4 5 0 一 4 5 层合板的夹层结构 关键词C F R C反射镜；有限元分析；刚度 中图分类号T B 3 3 2；0 4 3 9 文献标识码 A 0 引言 无论是对地观察，还是宇宙太空探索，都对光学 仪器的分辨率提出了越来越高的要求，提高系统的

3、光学分辨率最直接的方法是增大主反射镜的口径 但是随着主反射镜口径的增加，包括次反射镜和附 属信息处理设备在内的整个光学系统的质量必然大 大增加，系统的复杂度和发射成本也将成倍增长 因此，反射镜轻量化越来越引起人们的注意，现在已 形成一个”轻量光学”的技术学科 反射镜轻量化技术已经取得相当的进展，从低 膨胀系数光学玻璃、轻金属铍、碳化硅到复合材料都 已成为轻量化反射镜可选择材料，有的已经接近使 用程度 近几年，C F R C轻型反射镜的技术已经有 了突破，C F R C已经成为最具潜力的轻质反射镜材 料 C F R C的主要优点有：1)密度小 制成 的反射镜 的质量是 相同 口径 的传统材料反射

4、镜的质量的几十分之一乃至百分之 一 2)比刚度大 虽然 C F R C单层的弹性模量具有 方 向性，但 层合 板 的面 内弹性模 量仍 能达 到 1 0 0 G P a以上 3)热稳定性好 热膨胀系数小(略大于微晶玻 璃)，热导率较高，热变形小 4)可获得极光滑表面 美国 C MA公 司，已经掌 握了获得光 学表 面的工艺，其 表 面粗 糙度达 到 了 0 7 n m 1 t 1 1 8 L 1，优于哈勃望远镜主镜2 4 E lm 111 1 8 的 粗糙度 T e l：0 2 9 8 8 4 8 4 2 7 7 收稿 日期：2 0 0 3 0 3 1 0 5)工艺较为简单，制造成本较低 利用

5、一个制 作精良的镜模可以复制几十个反射镜，质量一致，生 产周期短，特别适合反射镜阵列的制造 人们在 1 9 8 0 前就已试制了C F R C反射镜，由于 面形精度达不到光学要求，主要用于卫星天线，如西 德的D o r n i e r 制作的第一个 C F R C夹芯反射镜，面形 误差为 1 0 0 m 1 T II$，面密度约 1 8 k g m 2 3 但是直 到 2 0 0 0年，才由美 国的 P e t e r C C h e n解决 了反射 镜面板形状误差过大的问题 他采用 M5 5 J E x l 5 1 5 复合材料并有一套优化 的制作方案，样 品镜的面形 误差达到 0 21 A

6、 r m s，A=6 3 2 8 El m 本文计算分析了 C F R C反射镜的铺层顺序、结 构形式、夹芯材料、面板材料、蜂窝单元形状对反射 镜刚度的影响 反射镜基体材料为美国 B R Y T E T e c h n o l o g i e s，I n c 出品的 E x 1 5 2 2环氧树脂，增强材 料选用 日本 T o r a y 公司出品的 M 6 0 J 宇航级细丝束 高模量碳纤维 1 铺层设计及刚度分析 铺层设计 又称作层合板设计，就是根据单层的 性能确定层合板 中各个铺层的取 向、铺层顺序、各定 向层相对于总层数的百分 比和总层数等 图 1是 9 0 4 5 0 一 4 5 ，

7、层合板铺层示意图 表 1 C F RC反射镜基体和增强体材料的力学参量 材料。m 3 泊松比 E X 1 5 2 2环氧树脂 1 4 6 4 0 0 2 0 4 8 1 3 5 2 M 6 0 J 碳纤 维 1 9 4 5 8 8 0 2 2 2 2 1 3 注：E x 1 5 2 2环氧树脂数据来 自网站 h t t p：w w w b r y t e t e c h c o m p d f-d s e x 1 5 2 2 d s p 0 f，M6 0 J，碳 纤 维 数 据 来 自网 站 h t t p：w w w r k g r u p p e n s e e n g l i s h p

8、 r o d u k t e r k o l f i b e rt o my ht m 维普资讯 http:/ 2期 初昶波等 碳纤维增强复合材料反射镜的刚度分析 2 4 1 图1 9 0 4 5 0-4 5 层合板铺层示意图 F i g 1 9 0 1 4 5 0 一 4 5 3 l a m i n a t e l a y e r s k e t c h m a p C F R C层合板铺层设计遵循的一般原则如下：1)铺层取向过多会造成设计工作的复杂化，如需 要设计成准各向同性板，可采用叮 I_ 4，3 两种取向；2)除特殊需要 外，一般铺成均衡对称 层合板，以免固化后因拉剪、拉弯耦合引起翘

9、曲；3)任一铺层方向的铺层，最小铺层百分 比大于 或等于 6 一1 0 ；4)各定向铺层尽量沿厚度方向均匀分布，为了 避免分层，每一单层组中单层数一般不超过4层；5)层合板中如含有 4 5。、0。、9 0。层，应尽量使 4 5。层之间用O。层和9 0。层隔开，也使 O。层和 9 0。层 用4 5。层隔开，以降低层间应力 J 根据前人经验，设纤维 树脂体积比为6 7，共 2 4层；同时设 C F R C单层厚度为0 1 m m反射镜 工作环境下的面形和受力状况要求反射镜面板内各 个方向刚度相同，并要避免镜面的翘曲，因此有限元 计算分析采用准各向同性层合板模型 就 2 4 层的准各向同性层合板而言

10、，符合上述设 计原则的铺层方案太多，无法一一进行计算 比较 实际设计 中，另外采用特殊设计 原则，即 1)单层组 数最多，即每一单层组中单层数最少，即等于1；2)对称层 中用重复的单层组铺层 基于上述原则，对于、3两种取向的准各 向同性层合板，分别有 6和8种铺层顺序 用有限 元软件分析这 1 4种铺层顺序的自 重变形：模型采用 s h e l l 9 9单元，平面圆 0 0 mm，三角形 自由网格，边 界条件为周边固定 有限元模型如图2 所示 图 2 层合板反射镜有 限元模型 F i g 2 F EM mo d e l o fl a mi na t e mi r r o r 考虑反射镜模型既

11、定的边界条件和受力状况，：向位移量是决定反射镜面形 变化 的主要 因素，因此 只对：向位移 量进行 分析，下 同 层合板 反射镜 9 0 4 5 0-4 5 3 的镜面变形见图 3 所有 1 4种铺 层顺序的层合板反射镜的 自重变形见表 2 图3 层合板 9 0 4 5 0-4 5 的镜面变形 F i g 3 D e f o r m a t i o n d i s t r i b u t i o n o f 9 0 4 5 0-4 5 3。l ami na t e mi r r o r 表2 1 4种铺层顺序的层合板反射镜的自重变形 从以上反射镜的变形结果看，在 自身重力作用 下，采用 9 0

12、 4 5 0 一 4 5 ，。铺层顺序的层合板反射 镜变形最小；此种铺层方式适合于 M 6 0 J E x 1 5 2 2复 合材料，直径 6 2 o o m m，厚度为2 4 m m的准各向同 性反射镜 2 不同结构和材料的 刚度分析 2 1 层合板结构反射镜和蜂窝夹层结构反射镜比较 蜂窝夹层反射镜模型采用 s h e l l 9 1 单元，由于软 件中s h e l l9 1 单元模型对反射镜面板层数的限制，计 算 中反射镜模型上下面板均取 6层，夹层 为正六边 形铝蜂窝，蜂窝的力学参量见表 7，铺层顺序为 0 6 0 一 6 0 0 6 0 一 6 0 C l 2 层合板 反射镜 模型

13、0 6 0 一 6 0 2 同样采用 s h e l l 9 1 单元 设 C F R C单层厚 度为 0 2 m m，其他尺寸参量和边界条件同上 蜂窝 夹层结构的有限元模型和两者的变形结果分别见图 4和表 3 从以上数据来看，蜂窝夹层反射镜的刚度要 比 相同面板材料和几何参量的层合板反射镜大接近一 个数量级因此，蜂窝夹层结构是设计反射镜时优 先考虑的结构形式 维普资讯 http:/ 2 4 2 光子学报 3 3卷 Z t x J，图4 蜂窝夹芯结构反射镜有限元模型 F i g 4 F EM mo d e l o f s a n d w i c h mi no r 裹 3 层合板反射镜和蜂窝夹

14、层反射镜 自重变形 2 2 不同芯材的蜂窝夹层反射镜的刚度分析 蜂窝夹层反射镜中，可用作芯材的材料有芳纶 纸、玻璃布、耐久铝、复合材料等 本文选择前 3 种材 料的标准芯材作为反射镜夹层，上下面板为6 层的 M6 0 J E x 1 5 2 2 C F R C，其它参量和条件同上 反射镜夹 层芯材参量 和有限元静态分析的变形结果见表4 表 4 蜂窝芯材参量和反射镜自重变形 材料 牌号 R M S m 芳纶纸 N F 1 4 4 8 9 0 0 4 9 0 3 0 0 2 8 6 8 0 e-7 1 6 2 0 1 e-7 玻璃布G H 1-4 5-5 5 1 1 5 2 7 0 1 5 7 5

15、 4 1 0 2 e-7 3 0 3 1 5 e-7 耐久铝 S Y L-3 l0 0 5 4-5 3 6 3 8 5 3 0 3 9 4 2 3 6 3 9 e-7 1 3 3 3 9 e-7 从以上数据来看，在芯材密度和 网格大小近似 的情况下，用芳纶纸和耐久铝做芯材的反射镜变形 比较接近，都比较小；而玻璃布芯材的反射镜变形则 较大 因此，反射镜芯材最好选用耐久铝，芳纶纸次 之，最好不要用玻璃布 2 3 不同面板材料的蜂窝夹层反射镜的刚度分析 为了比较不同面板材料的蜂窝夹层反射镜的刚 度，芯材选用 耐久铝 S Y L-3-O 0 5 4 5 3，面板 分别选 用 M6 0 J E x 1

16、5 2 2 C F R C、B e、Z e r o d u r，3种材料的力学 性能见表5，其中C F R C铺层顺序为 0 6 0 一 6 0 裹 5 反射镜面板材料的力学性能 反射镜的几何参量、边界条件同上，有限元静态 分析的变形结果见表6 从表中的数据结果看，裹 6 不同面板材料反射镜的自重变形 M6 o J E x 1 5 2 2 C F R C是可以同 B e媲美 的材料，两者 为面板的蜂窝夹层反射镜比Z e r o d u r 为面板的夹层 反射镜刚性好 2 4 不同蜂窝单元形状的蜂 窝夹层反射镜 的刚度 分析 反射镜芯材常用正六边形、正方形、正三角形 3 种蜂窝单元形状，如图5所

17、示，其中阴影部分是计算 元 蜂窝材料用铝，为了便于比较，设 3 种芯材的密 度和网格壁厚 t s 均相同，网格宽 c和力学参量 的计 算结果见表 7 一 图5 3种蜂窝单元和相应的计算元 Fig 5 T h r e e h o n e y c o mb c e l l s a n d t h e i r c a l c u l a t i n g c e i l s 裹7 3 种等密度蜂窝的结构和力学参量 反射镜面板材料用 M 6 0 J E x 1 5 2 2 C F R C，铺层 维普资讯 http:/ 2期 初昶波等 碳纤维增强复合材料反射镜的刚度分析 2 4 3 蜂窝的反射镜刚度比前两

18、者均大 表 8 不同蜂窝形状反射镜的自重变形 3 结论 本文分析了影响反射镜刚度的几个主要因素，得到现有条件下提高 C F R C反射镜刚度的一个优化 方案：蜂窝夹层结构；上下面板各 1 2层，采用 9 0 4 5 0-4 5 ，的 M 6 0 J E x 1 5 2 2复合材料；夹层采用 正三角形铝蜂窝 参考文献 1 Ch e n P C，S a h a T T，S n fi t h A M，e t a 1 P rog r e s s i n v e r y l i g h twe i g h t o p t i c s u s i n g g r a p h i t e fi b e r

19、c o mp o s i t e ma t e ri a l s O p t i c a l E n g i n e e r i n g，1 9 9 8，3 7(2)：6 6 9 2 A b t B，He l w i g G，S c h e u l e n D，e t a1 C o mp o s i t e t e c h n o l o g y f o r l i g h t w e i ght o p t i c al m i r r o r s S P I E A d v a n c e d T e c h n o lo g y O p t ic a l T e l e s c o p

20、e s I V，1 9 9 0，1 2 3 6：6 9 6 3 C h e n P C，B o w e r s C W，C o n t e n t D A，e t a1 A d v anc ed i n v e r y l i g h tw e i g h t c o mp o s i t e mi l T o r t e c h n o l o gy O p t c al E n g i nee r i ng，2 0 0 0，3 9(9)：2 3 2 1 4 李顺林，王兴业复合材料结构设计基础 湖北：武汉工 业大学出版社，1 9 9 6 2 0 0 2 0 1 “S LW a n g X Y

21、 D e s i g n B a s i s o f C o mp o s i t e Ma t e r i al S t r u c t u r e Hu b e i：W u h an I n d u s t r y U n i v e rsi t y P r e s s，1 9 9 6 2 0 0 2 0 1 5 工程材料实用手册 北京：中国标准出版社，1 9 8 9 3 4 9 3 61 A p p l i e d Manu al o f E n g i n e e r i n g Ma t e ri a1 B e i j i n g：C h i n a C rit e rio n P

22、r e s s，1 9 8 9 3 4 93 6 1 6 杨力 先进光学制造技术 北京：科学出版社，2 0 0 1 1 9 5 1 9 7 Ya n g L Ad v anc e d Op ti c al Ma n u f a c t u r i n g T e e h n do g y B e i j i n g：S c i e n c e P r e s s，2 0 0 1 1 9 51 9 7 S t i ffn e s s An a l y s i s o f Ca r b o n-fi b e r Re i n f o r c e d Co mp o s i t e Mi r r o

23、 r C h u C h a n g b o，Z h o u S h a o x i a n g D e p a r t m e n t o fP MP l U S T C。H e f e i 2 3 12 0 2 7 Re c e i v e d d a t e：2 0 0 3 0 3 1 0 Ab s t r a c t T h e l i g h t w e i ght s p a c e o p t i c a l m i r r o r m a d e o f C F R C i s a r e l a t i v e l y n e w c o n c e p t a n d h

24、a s p r o f o u n d s i g n i fic an c e Th e p a p e r an aly z e s a n d c o mp a r e s t h e f o l l o wi n g f a c t o r s wh i c h i n flu e n c e the s t i ff ne s s o f CFRC I n i l l r,d i ffe r e n t l a y e r s e q u e n c e s，mi r r o r s t r u c t u r e s，h o n e y c o mb ma t e r i a l

25、s，f a c e p l a t e ma t e r i als，h o n e y c o mb c e ll s h a p e s，e t c An o p t i mi z e d d e s i gn t o e n h a n c e t h e mi r r o r s t i ff n e s s i s als o s i v e n Ke y wo r d s CF RC mi r r o r；F EA；S t iff n e s s i n 1 9 7 7 i n Sh a n d o n g P r o v i n c e No w h e i s wo r k i n g t o wa r ds the M E e nc e&Te c h n o l o g y o f Ch i n ah e i s de v o t e d t o th e c o n c e p t r e s e a r c h o f 维普资讯 http:/