Isotruss -復(fù)合材料新技術(shù)

經(jīng)大量實(shí)驗(yàn)證明，三維復(fù)合材料桁架結(jié)構(gòu)，即絕緣管束結(jié)構(gòu)（IsoTruss），是迄今質(zhì)量最輕和最有效的管束結(jié)構(gòu)。

設(shè)計(jì)結(jié)果：
• 在相同的負(fù)荷下，復(fù)合材料格結(jié)構(gòu)的重量只占鋼管重量的百分之十三。
• 通過(guò)對(duì)不同材料和格形狀的選擇，可以針對(duì)不同用途對(duì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度進(jìn)行設(shè)計(jì)。
• 開(kāi)放式的結(jié)構(gòu)和極低的耗材量使絕緣管束結(jié)構(gòu)比一般的低成本非復(fù)合材料材料，如木材，更具競(jìng)爭(zhēng)力。


圖1： 絕緣管束結(jié)構(gòu)(IsoTruss)示意圖


圖2：鋼管，鋁管，和碳纖維復(fù)合材料管束結(jié)構(gòu)受到彎曲應(yīng)力時(shí)的單位重量對(duì)照。

住過(guò)斜屋頂房子的人一定對(duì)桁架（truss）結(jié)構(gòu)不陌生—— 是一種通過(guò)簡(jiǎn)單的兩維連接方式而成的堅(jiān)固的三角形狀，該結(jié)構(gòu)能夠支撐起整個(gè)屋頂。但如果通過(guò)三維的方式將桁架結(jié)構(gòu)與復(fù)合材料相結(jié)合的話，就能形成另外一種質(zhì)量更輕、卻具有巨大強(qiáng)度-重量比的結(jié)構(gòu)——絕緣管束結(jié)構(gòu)（IsoTruss）。 123,123

IsoTruss最初是由楊百翰大學(xué)（BYU）高級(jí)復(fù)合材料研究中心的戴維楊森博士發(fā)現(xiàn)，并將它定義為“絕緣管束結(jié)構(gòu)”（IsoTruss）。絕緣管束結(jié)構(gòu)是一種看上去呈纏繞籠狀、開(kāi)放式的管束構(gòu)造，由一系列相交的三角形重疊成管束狀的對(duì)稱金字塔結(jié)構(gòu)。絕緣管束結(jié)構(gòu)現(xiàn)在在美國(guó)持有獨(dú)家授權(quán)技術(shù)。

IsoTruss結(jié)構(gòu)公司（位于猶他州百翰城）首席技術(shù)官特雷西利文斯頓說(shuō)，復(fù)合材料絕緣管束結(jié)構(gòu)（IsoTruss）在設(shè)計(jì)上與鋁或鋼制的廣播或電訊格塔十分類似。格子設(shè)計(jì)通常適用于耗材較少的結(jié)構(gòu)，整個(gè)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量只有實(shí)體結(jié)構(gòu)的一半，因而絕緣管束結(jié)構(gòu)可以被建造成高度較高的塔建筑。此外，絕緣管束結(jié)構(gòu)特有的開(kāi)放式結(jié)構(gòu)還能有效降低塔或桿結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載。但是，金屬格子塔的最大局限性存在于必須通過(guò)手工完成每個(gè)單元結(jié)構(gòu)的裝配和固定，因此它們的造價(jià)非常昂貴。

內(nèi)容來(lái)自123456

利文斯頓解釋說(shuō)：“我們所做的正是汲取了這世界賜予的最好的方式，我們的管束結(jié)構(gòu)擁有更高的材料效率，和更低的材料成本，更重要的是我們將這兩者結(jié)合起來(lái)將其投入自動(dòng)化生產(chǎn)，從而還提高了勞動(dòng)效率。”

難以置信的強(qiáng)度與重量

絕緣管束結(jié)構(gòu)（IsoTruss）從整體上看是一個(gè)籠狀管式格子結(jié)構(gòu)，由一系列三角形組重疊而成。從橫截面的方向看去，全復(fù)合材料絕緣管束結(jié)構(gòu)會(huì)在三維空間呈現(xiàn)出一個(gè)對(duì)稱星形，這些三角形沿結(jié)構(gòu)的縱向形成一個(gè)向外的金字塔形。

絕緣管束結(jié)構(gòu)的功能就跟任何壁厚均勻的固體管一樣，但由于耗材較少，其重量只占到固體管的很小的比例。當(dāng)在同樣負(fù)載的情況下，它比鋁材管的重量少二十五個(gè)百分比，比鋼材管少百分之九。

絕緣管束結(jié)構(gòu)中的每個(gè)單元都是由單向纖維束或粗紗纏繞在一個(gè)特制的可折疊金屬芯棒上形成的。金屬芯棒外層還包裹著呈螺旋向和縱向緊湊交織的纖維，為其形成一層牢固的結(jié)關(guān)節(jié)保護(hù)。絕緣管束結(jié)構(gòu)適合用于對(duì)彎曲、屈曲、軸向、扭轉(zhuǎn)、以及聯(lián)合載荷有較高要求的用途。據(jù)利文斯頓介紹，絕緣管束結(jié)構(gòu)特別適合于圍繞中心軸或沿其縱軸附近有多個(gè)受力點(diǎn)位置的結(jié)構(gòu)。其實(shí)，它是一種類似于I-型梁的結(jié)構(gòu)，每個(gè)格子的縱向梁跟梁翼緣的作用差不多。 123456

例如，當(dāng)該結(jié)構(gòu)承擔(dān)軸向載荷的情況下，其縱向單軸會(huì)承擔(dān)約百分之九十五的荷載，而此時(shí)螺旋三角軸則起到支撐縱軸，和增加結(jié)構(gòu)剛度以及防止局部屈曲的作用。但是當(dāng)該結(jié)構(gòu)在受到扭轉(zhuǎn)力的情況時(shí)，多數(shù)負(fù)荷就會(huì)落在螺旋三角軸上。這種徑向?qū)ΨQ分布能夠有效幫助分散負(fù)荷，并幫助在中心線軸的多個(gè)位置產(chǎn)生一種均勻的抗屈曲應(yīng)力。

利文斯頓說(shuō)：“因?yàn)樗械睦w維都是單軸向的，這就意味著即使在受力的情況下，纖維也不會(huì)發(fā)生偏軸的危險(xiǎn)，因此該結(jié)構(gòu)不僅能優(yōu)化現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的屬性，同時(shí)還大大提高其損傷容限。例如，當(dāng)你通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)螺旋纏繞工藝用某些低模量纖維纏繞一根實(shí)體管結(jié)構(gòu)時(shí)，纖維的彈性模量可能在纏繞過(guò)程中下降百分之五十，或發(fā)生離軸的情況。而我們的結(jié)構(gòu)能夠?qū)⒗w維的模量保持在接近20 Msi的水平。”

結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度還可以通過(guò)定制纖維和樹(shù)脂類型和組合進(jìn)行自定義，同樣，可以通過(guò)控制纖維束/粗紗的數(shù)量，達(dá)到控制格子單軸厚薄的目的。此外，還可以采取碳纖維做縱軸和玻璃纖維做螺旋軸的混合方式，最大限度地加強(qiáng)軸的強(qiáng)度，同時(shí)節(jié)省材料成本。對(duì)于非對(duì)稱彎曲載荷，即在一個(gè)方向上承擔(dān)多個(gè)載荷，該團(tuán)隊(duì)也曾經(jīng)嘗試過(guò)橢圓截面的做法。

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圖3：六節(jié)點(diǎn)（前）和八節(jié)點(diǎn)（后）絕緣管束結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖，藍(lán)色線代表縱向單元軸。

絕緣管束結(jié)構(gòu)（IsoTruss）可以被制備成六至十二節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)，或金字塔結(jié)構(gòu)。利文斯頓解釋說(shuō)，八節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)的抗彎曲和屈曲效果最好，因?yàn)樵摻Y(jié)構(gòu)的縱向軸離中心軸的距離最遠(yuǎn)，這會(huì)幫助增加整體結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和剛度。而六節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)的耐側(cè)沖擊負(fù)荷性能最強(qiáng)，因?yàn)樗恼w直徑相對(duì)較小，而且其金字塔形更突出。

“胡克定律（Hooke's Law）和平行移軸定理（Parallel Axis theorem）都表明，在建造管束結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)該加大整體直徑，從而幫助提高轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和結(jié)構(gòu)剛度，”利文斯頓說(shuō)。“但是，雖然直徑加大了，壁厚卻必須相應(yīng)減小，以保持結(jié)構(gòu)應(yīng)有的效率，否則管束結(jié)構(gòu)會(huì)變得易碎，并導(dǎo)致殼體線性屈曲失敗，效果就像碾碎一個(gè)汽水瓶一樣。” 正是因?yàn)榻^緣管束結(jié)構(gòu)（IsoTruss）擺脫了實(shí)體管壁的傳統(tǒng)構(gòu)造，因此可以允許加工成直徑更大的結(jié)構(gòu)，僅僅受分布在金字塔結(jié)構(gòu)外部的壓縮負(fù)荷的限制。反過(guò)來(lái)，金字塔結(jié)構(gòu)同樣可以將側(cè)載荷沿軸向傳遞到金字塔的基部和縱向軸上，該方式比同等實(shí)體管結(jié)構(gòu)的力學(xué)傳遞效能更高。經(jīng)大量測(cè)試證明，絕緣管束結(jié)構(gòu)（IsoTruss）的格管結(jié)構(gòu)要比實(shí)體的纖維纏繞復(fù)合材料管結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度高兩倍，但耗材量才僅僅是后者的一半。


圖4：絕緣管束結(jié)構(gòu)產(chǎn)品擁有不可比擬的重量?jī)?yōu)勢(shì)。

IsoTruss公司首席執(zhí)行官克里斯托弗•德靈頓說(shuō)：“楊百翰大學(xué)的研究人員已經(jīng)對(duì)不同尺寸大小、不同長(zhǎng)度、以及不同纖維/樹(shù)脂的組合的絕緣管束幾何結(jié)構(gòu)（包括六節(jié)點(diǎn)和八節(jié)點(diǎn)）的彎曲和軸向屈曲進(jìn)行了大量的測(cè)試和驗(yàn)證，結(jié)果已經(jīng)證明了這一概念的可行性，而我們的主要任務(wù)將是如何將這個(gè)概念轉(zhuǎn)化為實(shí)際的生產(chǎn)力。”

從設(shè)計(jì)到制造

IsoTruss結(jié)構(gòu)公司發(fā)展的主要挑戰(zhàn)存在于生產(chǎn)設(shè)計(jì)，并將該概念轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用。目前，現(xiàn)有的絕緣管束結(jié)構(gòu)基本上都是采用加長(zhǎng)單頭繞絲機(jī)，在一個(gè)長(zhǎng)25英尺的特制可分割金屬芯棒上進(jìn)行纏繞，該設(shè)備由Entec復(fù)合機(jī)公司（位于猶他州鹽湖城）提供。纏繞圖案由一個(gè)可編程邏輯控制器管理。纏繞的原料一般是單個(gè)或多個(gè)連續(xù)纖維絲束（包括碳纖維，玻璃纖維，芳綸纖維或混合纖維）和環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合而成的預(yù)浸料，或通過(guò)濕法纏繞工藝在纏繞纖維的過(guò)程中加入一系列樹(shù)脂。IsoTruss公司擬定了幾家碳纖維供應(yīng)商，包括卓爾泰克公司（Zoltek Corp，位于密蘇里州圣路易斯），Grafil公司（加利福尼亞州薩克拉門(mén)托）和Fortafil纖維公司（田納西州諾克斯維爾）。一個(gè)完整的絕緣管束結(jié)構(gòu)的厚度從6.5英寸/0.25毫米至0.5英寸/13毫米不等。完成固化制備后，位于結(jié)構(gòu)中心的心軸將被抽出。

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IsoTruss結(jié)構(gòu)公司在開(kāi)發(fā)不同大小的三角形和金字塔形狀時(shí)，在不同類型的節(jié)點(diǎn)制備中采用了具有特殊凸槽設(shè)計(jì)的心軸。該公司為了開(kāi)發(fā)不同長(zhǎng)度的可互換模塊化心軸系統(tǒng)花了大量時(shí)間和資源。德靈頓指出：“如何能開(kāi)發(fā)一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的心軸是一大挑戰(zhàn)，它關(guān)乎到將來(lái)能否實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的批量化生產(chǎn)，以及將成本控制在能接受的限度。而目前我們的模具開(kāi)發(fā)成本和時(shí)間都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出我們的預(yù)期。不過(guò)，我們正在加速研發(fā)生產(chǎn)。”該公司還打算為25,000平方英尺的廠房采購(gòu)一臺(tái)長(zhǎng)40英長(zhǎng)的三錠纏繞機(jī)。

此外，IsoTruss結(jié)構(gòu)公司還開(kāi)發(fā)了一個(gè)名為絕緣管束結(jié)構(gòu)優(yōu)化（IsoTruss Optimizer）的設(shè)計(jì)軟件，設(shè)計(jì)工程師能輸入載荷并計(jì)算出相應(yīng)結(jié)構(gòu)的大小，以及輸入能夠取代傳統(tǒng)金屬棒材質(zhì)的最理想的材料（如碳纖維，玻璃纖維，芳綸纖維或混合纖維）及所需要的數(shù)量。

迄今所制備的最大的絕緣管束結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的直徑達(dá)40厘米/16英寸。不過(guò)，該公司正在開(kāi)發(fā)相關(guān)模具用以生產(chǎn)直徑達(dá)0.62米/2英尺，長(zhǎng)度為6.2米/20英尺，并用金屬螺栓固定在一起的絕緣管束結(jié)構(gòu)產(chǎn)品。塔結(jié)構(gòu)就是將這些絕緣管束結(jié)構(gòu)段搭建起來(lái)，初步搭建的塔結(jié)構(gòu)能達(dá)到86.2m/280英尺高。利文斯頓說(shuō)，結(jié)構(gòu)段部分也可用實(shí)體管的端材制造，用膠粘劑連接在一起制成。他說(shuō)：“我們的結(jié)構(gòu)還展現(xiàn)出良好的力學(xué)擴(kuò)展性能，即使將結(jié)構(gòu)的直徑擴(kuò)大到16英寸以上也同樣可行。我們的下一個(gè)目標(biāo)是在不久的將來(lái)制造出規(guī)模更大，高度和自由跨度能高達(dá)500英尺的絕緣管束結(jié)構(gòu)產(chǎn)品。”

現(xiàn)在，塔結(jié)構(gòu)原型已經(jīng)安裝完畢，IsoTruss結(jié)構(gòu)公司也收到許多相關(guān)訂單，產(chǎn)品將主要應(yīng)用于建造塔結(jié)構(gòu)，例如裝載測(cè)量?jī)x表的氣象塔。冷卻塔和電線桿項(xiàng)目也已經(jīng)跟進(jìn)。德靈頓指出，采用絕緣管束結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的桿結(jié)構(gòu)要比現(xiàn)有的玻璃纖維桿更有高度優(yōu)勢(shì)。在2003年，該技術(shù)已經(jīng)使輸電塔達(dá)到高于80英尺的高度。 copyright 123456


圖5：絕緣管束結(jié)構(gòu)拉線塔。

雖然目前的制造方法已經(jīng)達(dá)到制造出較大規(guī)模結(jié)構(gòu)的能力，但是成本和有限的生產(chǎn)力限制著結(jié)構(gòu)直徑的擴(kuò)大。公司對(duì)未來(lái)的設(shè)想是采用一種類似于編織機(jī)的連續(xù)的自動(dòng)化處理設(shè)備，來(lái)幫助降低生產(chǎn)成本。利文斯頓說(shuō)：“隨著受眾對(duì)此類產(chǎn)品的開(kāi)放式結(jié)構(gòu)的認(rèn)知度的提高，以及隨著這種結(jié)構(gòu)的耗材量?jī)?yōu)勢(shì)日益顯現(xiàn)，加之，我們的產(chǎn)品一直采用耐腐蝕和環(huán)保材料制造，在生產(chǎn)成本上已經(jīng)日益超越許多非復(fù)合材料材料，如木材。”

值得一提的是，由于任何纖維和樹(shù)脂的復(fù)合材料都可以用來(lái)制造這種絕緣束管結(jié)構(gòu)，因此這個(gè)想法得到了運(yùn)動(dòng)自行車業(yè)的關(guān)注，特別是采用目前以高性能低重量著稱的碳纖維復(fù)合材料來(lái)制造復(fù)合材料絕緣管束結(jié)構(gòu)。美國(guó)德?tīng)査愤\(yùn)動(dòng)公司（猶他州培森市）就用碳纖維復(fù)合材料制造出一款應(yīng)用于自行車框架的絕緣管束結(jié)構(gòu)。


圖6：采用IsoTruss結(jié)構(gòu)的自行車

還有一些其他機(jī)構(gòu)也紛紛表示出對(duì)該結(jié)構(gòu)的濃厚興趣，并投身到束管技術(shù)的新應(yīng)用研究行列，包括美國(guó)化工協(xié)會(huì)（ASC）已經(jīng)開(kāi)始對(duì)建造通訊工具的發(fā)射塔工程的研究。此外，楊百翰大學(xué)和德?tīng)査愤\(yùn)動(dòng)公司正共同致力于一項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)——“三維編織結(jié)構(gòu)”的研發(fā)，據(jù)悉，該技術(shù)能免去使用心軸或模具等工具，直接利用計(jì)算機(jī)模型連續(xù)生產(chǎn)復(fù)合材料絕緣管束結(jié)構(gòu)，能大大節(jié)約制備時(shí)間同時(shí)降低勞動(dòng)量并減少加工成本。

可以預(yù)見(jiàn)的是，隨著制備技術(shù)和工藝的進(jìn)一步提高，這種集硬度、強(qiáng)度、和輕質(zhì)于一身的管束結(jié)構(gòu)將成為未來(lái)復(fù)合材料技術(shù)的發(fā)展方向。

本文出自　High-Performance Composites March 2010 , Donna Dawson