碳纤维复合材料反射镜面板的铺层设计

　　0　引　言

　　随着空间光学的发展和复合材料在宇航中的广泛应用,也引发了世界各国的科研工作者对使用复合材料来制作轻量化空间光学反射镜镜体的探索,并已取得了重大的成就,尤其以碳纤维复合材料反射镜制造技术的发展最为迅速,成绩亦最为显著。轻量化反射镜镜体主要有夹层式、开放式和半开放式三种形式的结构,其中夹层结构是一种最有优势的结构[1]。

　　从反射镜的功能角度看,保证镜面的面形是结构设计中的关键所在,而对于具有夹层结构形式的复合材料反射镜来说,反射面板的力学性能,特别是镜体的刚度将直接影响着镜面面形,所以复合材料反射镜反射面板的铺层设计不但要遵循强度的设计原则,还更要遵循刚度的设计原则。本文主要用有限元法对蜂窝夹层结构形式的碳纤维复合材料反射镜面板在满足一定的刚度条件的铺层设计,并提出其设计的一般方法。

　　1　碳纤维复合材料反射镜反射面板的刚度设计原则、力学计算方法及材料选择

　　碳纤维复合材反射镜反射面板的刚度直接影响着镜面的面形,反射镜的面形指标对面板提出了需要满足的刚度指标,因此面板的刚度设计是制作碳纤维复合材料反射镜的首要任务。

　　(1)反射面板在外加载荷的作用下不允许产生塑性变形,否则就有了永久的变形,反射面板一旦出现永久变形就意味着结构产生了永久的损伤;即使是反射面板的弹性变形也应当满足反射镜的面形指标,同时变形不应严重改变外部载荷或内力的分布。

　　(2)注意利用复合材料铺层的正交异性特性和结构的层压特性,通过合理地选取铺层角、铺层比和铺层顺序,以最小的质量代价达到所要求的刚度。单向铺层的工程常数可依据组分材料的性能和组份的体积百分含量,并利用细观力学分析方法给出的公式来预测[2]。

　　碳纤维增强树脂基复合材料单向铺层的工程常数的预测公式:

　　式中Ef为碳纤维拉伸弹性模量;Em为基体拉伸弹性模量;vf为碳纤维泊松比;vm为基体泊松比;Gf为碳纤维剪切弹性模量;Gm为基体剪切弹性模量;Vf为碳纤维体积含量; Vm=1- Vf为基体体积含量;η2,η12均由试验确定,对于玻璃纤维/环氧树脂可取用0·5;对于碳纤维/环氧树脂可取用0·97。

　　作为空间光学反射镜的反射面板必须具有足够的强度和刚度,因此增强体碳纤维和基体树脂均选择为高模型,具体性能参数如表1所示。

　　2　反射镜面板模型的建立及其铺层设计

　　铺层设计是碳纤维复合材料反射镜面板设计中的最为关键性的设计工作之一,它也是复合材料设计的特有的工作内容,铺层设计的优劣在很大的程度上影响着镜体结构设计的成败。