碳纤维增强复合材料分级正交网格加筋圆柱壳的制造工艺优化与承载性能提升

《Polymer Composites》：Hierarchical Orthogrid–Stiffened Cylinder: Improved Manufacturing and Load Carrying Ability

来自国内的研究人员通过采用纤维缠绕(filament winding)和共固化(co-curing)技术，创新性地设计制造了具有分级正交网格加筋结构的碳纤维增强复合材料(CFRC)圆柱壳。该结构通过主筋提升整体刚度，次级筋增强蒙皮局部刚度，在480 kN压缩载荷下因蒙皮局部屈曲失效。研究团队突破传统手工缠绕和金属模具的局限，采用橡胶模具结合自动化缠绕工艺，配合真空袋装夹和节点倒角处理，使筋条纤维体积分数提升至~60%，显著降低了应力集中，为大直径航空航天壳体提供了高性价比解决方案。

　　

这项突破性研究展示了采用创新制造工艺的碳纤维增强复合材料(CFRC)分级加筋结构。科研人员巧妙设计了两级正交网格加强筋——主筋(Main ribs)像建筑物的钢梁般支撑整体结构，次级筋(Sub-ribs)则如同微血管网络般强化蒙皮(skin)局部刚度。在压缩测试中，这个"钢筋铁骨"的圆柱壳展现出惊人的480 kN承载能力，最终因蒙皮局部屈曲(local buckling)而失效。

研究团队攻克了传统制造三大痛点：通过自动化纤维缠绕(automated filament winding)精确控制纤维张力，真空袋装夹(vacuum-bag loading)确保树脂均匀渗透，节点倒角(node-chamfering)处理则像给关节涂抹润滑剂般减少应力集中。这些创新使筋条纤维体积分数(fiber volume fraction)突破性地达到~60%，远超常规湿法缠绕(wet-winding)难以突破的50%瓶颈。

这项技术为大型航空航天壳体提供了完美平衡方案——既规避了手工缠绕的质量缺陷，又避免了金属模具的高成本，就像为复合材料制造找到了"黄金分割点"。研究证明，这种分级加筋结构(hierarchical-stiffened structure)特别适合大直径圆柱壳应用，为未来飞行器轻量化设计开辟了新路径。