ANSYS复合材料仿真分析及其在航空领域的应用（本站推荐）

第一篇：ANSYS复合材料仿真分析及其在航空领域的应用（本站推荐）

ANSYS复合材料仿真分析及其在航空领域的应用

作者：孟志华

复合材料，是由两种或两种以上性质不同的材料组成。主要组分是增强材料和基体材料。复合材料不仅保持了增强材料和基体材料本身的优点，而且通过各相组分性能的互补和关联，获得优异的性能。复合材料具有比强度大、比刚度高、抗疲劳性能好、各向异性、以及材料性能可设计的特点，应用于航空领域中，可以获得显著的减重效益，并改善结构性能。

目前，复合材料技术已成为影响飞机发展的关键技术之一，逐渐应用于飞机等结构的主承力构件中，西方先进战斗机上复合材料使用量已达结构总重量的25%以上。飞机结构中，复合材料最常见的结构形式有板壳、实体、夹层、杆梁等结构。板壳结构如机翼蒙皮，实体结构如结构连接件，夹层结构如某些薄翼型和楔型结构，杆梁结构如梁、肋、壁板。此外，采用缠绕工艺制造的筒身结构也可视为层合结构的一种形式。

一.复合材料设计分析与有限元方法

复合材料层合结构的设计，就是对铺层层数、铺层厚度及铺层角的设计。

采用传统的等代设计（等刚度、等强度）、准网络设计等设计方法，复合材料的优异性能难以充分发挥。在复合材料结构分析中，已经广泛采用有限元数值仿真分析，其基本原理在本质上与各向同性材料相同，只是离散方法和本构矩阵不同。复合材料有限元法中的离散化是双重的，包括了对结构的离散和每一铺层的离散。这样的离散可以使铺层的力学性能、铺层方向、铺层形式直接体现在刚度矩阵中。有限元分析软件，均把增强材料和基体复合在一起，讨论结构的宏观力学行为，因此可以忽略复合材料的多相性导致的微观力学行为，以每一铺层为分析单元。

二.ANSYS复合材料仿真技术及其在航空领域应用

复合材料具有各向异性、耦合效应、层间剪切等特殊性质，因此复合材料结构的精确仿真，已成为现代航空结构的迫切需求。

许多CAE程序都可以进行复合材料的分析，但是大多程序并没有提供完备的功能，使复合材料的精确仿真难以完成。如有些程序不提供非线性分析能力，有些不提供层间剪切应力的求解能力，有些不提供考虑材料失效破坏继续计算能力等等。ANSYS作为一款著名的商业化大型通用有限元软件，广泛应用于航空航天领域，为飞机结构中的复合材料层合结构分析提供了完整精确的解决方案。

1.复合材料的有限元模型建立针对飞机结构中的复合材料层合板、梁、实体以及加筋板等结构类型，ANSYS提供一种特殊的复合材料单元———层单元，以模拟各种复合材料，铺层数可达250层以上，并提供一系列技术模拟各种复杂层合结构。复合材料层单元支持非线性、振动特性、热应力、疲劳断裂等各种结构和热的分析功能和算法。

2.复合材料的层合结构定义：

■铺层结构：ANSYS对于每一铺层可先定义材料性质、铺层角、铺层厚度，然后通过由下到上的顺序逐层叠加组合为复合材料层合结构；也可以通过直接输入材料本构矩阵来定义复合材料性质。

■板壳和梁单元截面形状：ANSYS利用截面形状工具可定义矩形、I型、槽型等各种形式；还可以定义各种函数曲线以模拟变厚度截面。

3.特殊层合结构的模拟：

·变厚度板壳铺层切断：将切断的某铺层厚度定义为零，即可模拟铺层切断前后的板壳实际形状。

·不同铺层板壳的节点协调：ANSYS板壳层单元的节点均可偏置到任意位置，使不同铺层数板壳的节点在中面或顶面、底面对齐。

·蜂窝/泡沫夹层结构：ANSYS通过板壳层单元来模拟夹层结构的特性，夹层面板和芯子可以是不同材料。

·板－梁－实体组合结构：ANSYS将实体、板壳与梁等不同类型单元通过MPC技术相联系，各类单元的节点不需要重合并协调，便于飞机等复杂结构模型的处理。

4.复合材料有限元模型的检查：复合材料结构模型建立后，可以将板壳和梁单元显示为实际形状，还可以通过图形显示和列表直观地观察铺层厚度、铺层角度和铺层组合形式，方便模型的检查及校对。

5.复合材料层合结构分析ANSYS层单元支持各种静强度刚度、非线性、稳定性、疲劳断裂和振动特性等结构分析。完成分析后，可以图形显示或输出每个铺层及层间的应力和应变等结果（虽然一个单元包含许多铺层），根据这些结果可以判断结构是否失效破坏和满足设计要求。

6.复合材料失效准则ANSYS已经预定义了三种复合材料破坏准则来评价复合材料结构安全性，包括最大应变/应力失效准则，蔡－吴（Tsai-Wu）准则。每种强度准则均可定义与温度相关，考虑不同温度下的材料性能。另外，用户也可自定义最多达六种的失效准则，对特殊复合材料进行失效判断。

7.复合材料结构层间剪切应力：复合材料层合结构的层间剪切应力，几乎完全依靠层间界面的树脂基体承载，很容易导致层合结构的分层破坏，是整个结构的薄弱环节。通常的有限元分析依据经典的层合板理论，各铺层按平面应力状态计算，不考虑层间应力，不够精确。ANSYS可以利用各铺层单元在厚度方向上的叠加来模拟层合结构，弥补了经典理论的不足，可以精确地求解层间应力。

8.复合材料结构热应力分析：复合材料热膨胀系数的各向异性和铺层方向的不对称造成的耦合效应，使复合材料结构即使均匀升温也会在结构内部产生热应力。复合材料这一特性与普通均匀材料大为不同，因此复合材料结构的热应力分析必须引起重视。

■ANSYS的结构－热耦合分析，可以对复合材料在热环境下的热膨胀应力、结构固化成形过程中100℃～200℃的温差而引起的结构固化变形和残余应力进行分析。

■ANSYS程序中的材料性质、强度准则均可以定义为随温度变化，以此来引入温度变化对结构物理性能的影响。

三.复合材料结构屈曲失稳实例

1.工程背景：飞机的复合材料结构中，板加筋结构形式最为常见，如壁板、隔框、翼盒等。通常，飞机的复合材料加筋板的厚度较薄，因此结构分析不仅仅是判断材料的失效破坏和层间剪切破坏，还应该关注结构是否屈曲失稳而破坏。利用ANSYS对某复合材料加筋板的屈曲特性进行分析，并确定结构的极限承载能力。结构壁板和筋条的厚度很小，为典型的板－梁结构，选用ANSYS复合材料板壳单元，同时将单元节点偏置以协调铺层数的变化导致的板结构错层。

2.复合材料结构屈曲失稳理论复合材料结构的屈曲分析可分为特征值屈曲和非线性屈曲。通常特征值屈曲所得出的结果偏大，不够安全，实际工程中应用较少。非线性屈曲分析可以考虑结构大变形、结构初始缺陷、复合材料失效等实际工况，从而获得更为精确的屈曲临界载荷。特别是结构屈曲失稳之前，部分复合材料有可能已经失效破坏，结构的应力将重新分布并且刚度有所减弱。因此考虑复合材料失效后，结构屈曲荷载将有所降低并接近实际。

3.屈曲分析结果

首先进行特征值屈曲分析，屈曲临界荷载为808.0KN。但是，在考虑结构几何大变形、应力刚化等实际情况后，非线性屈曲的临界荷载降低为770.1KN。再引入复合材料结构失效对非线性屈曲的影响，因为结构部分失效导致应力重分布和刚度减弱，屈曲临界载荷更降低为656.2KN。计算结果与实验结果只相差5%。

4.应用小结

计算过程考虑了结构非线性及材料失效对屈曲临界荷载的影响，实际结果为656.2KN，与试验结果相差仅5%，结果比较精确。而特征值屈曲分析和不考虑材料失效影响的非线性屈曲临界载荷的计算，被证明是不够保守的，难以为复合材料结构屈曲的设计提供准确依据。

四.结论

飞机等航空结构中的复合材料结构仿真分析，越来越强调分析精度和贴近工程实际，如要求计算复合材料层间剪切效应、固化成形后的残余热应力、材料部分失效后的结构屈曲失稳等。ANSYS通过对复合材料的铺层定义材料、铺层角以及铺层厚度，来组成“层单元”，以模拟各类航空复合材料层合结构，可以精确地分析材料的失效破坏、层间剪切效应。另外还可以满足飞机结构中复合材料的非线性屈曲失稳、振动特性分析、以及结构的热效应分析等更多仿真需求。

第二篇：交通仿真在交通影响分析中的应用

交通仿真在交通影响分析中的应用

学院：汽车与交通工程学院

专业：交通运输092

姓名：胡美

学号： 09120205

5摘要：以TSIS软件为仿真平台、以中关村西区为研究对象，在对比分析国内外交通特点的基础上，利用TSIS对中关村西区交通改进方案进行了仿真实验，验证了利用交通仿真方法进行交通影响分析的可行性；并通过仿真环境的动画演示功能，直接从交通流现象中发现问题，提出了项目周边路网的交通改进方案，获得了较好的仿真效果。

关键词：交通仿真；交通影响分析；交通改进方案交通仿真概述

道路交通系统仿真是以相似原理、信息技术、系统工程和交通工程领域的基本理论和专业技术为基础，以计算机为主要工具，利用系统仿真模型模拟道路交通系统的运行状态，采用数字方式或图形方式来描述动态交通系统，以便更好地把握和控制该系统的一门实用技术。交通仿真是研究复杂交通问题的重要工具，尤其是当一个系统过于复杂，无法用简单抽象的数学模型描述时，交通仿真的作用就更为突出。交通仿真可以清晰的辅助分析预测交通堵塞的地段和原因，对城市规划、交通工程、和交通管理的有关方案进行比较和评价，在问题成为现实以前，尽量避免，或有所准备。

目前进行交通影响分析(简称TIA)应用城市综合交通规划模型分布、分配开发项目生成的交通量，大多借助于专业规划软件(如Trips、TransCAD、EMME／2和G—TIA 等)实现，规划人员利用这些TIA软件决定现状和未来改善后的路网是否能够满足项目所诱发的交通需求．如何通过改进交通设施来优化局部道路交通网络的供需配置，弱化项目所产生的交通影响，充分发挥路网的整体功能与效益，已经成为TIA的重要难题．利用交通仿真软件可以较好地解决此类问题，交通仿真分析技术具有直观、准确、灵活的特点，是描述复

杂道路交通现象的一个有效手段．

利用规划软件进行TIA是对项目产生交通影响的定量分析，而利用交通仿真软件进行TIA可以定性地描述项目所产生的交通影响，是对定量化分析的补充，可以通过仿真结果验证利用交通规划软件进行分析的精度．此外，可以通过仿真环境的动画演示功能，直接从交通流现象中发现问题，并提出交通改进方案．利用交通仿真进行TIA的意义

传统的描述交通流状态的数学分析方法在描述系统的总体特性上有其特有的优点，然而，数学分析模型因其理论基础的局限性，在满足一些微观层次的交通分析需求时存在着较为明显的缺陷．另外，由于交通系统本身的复杂性，客观上对交通分析工具的功能提出了更高的要求．与传统的交通分析技术相比，交通仿真软件在构造特殊交叉口和描述特殊交通流物性方面具有明显的先天优势．功能齐全的微观交通仿真软件，可以描述多种多样的交通流．在解决特殊情况下的交通改进方面具有以下优势：

(1)交通仿真可以准确描述多种特殊的道路、交通条件，避免了对实际交通状况的不合理简化．

(2)交通仿真可以针对单一影响因素进行仿真实验，确定单一因素对交通流的影响，如信号配时或交通渠化，便于确定症结所在．

(3)对于复杂的道路、交通环境，通过重复的动画仿真，可以直接从交通流现象寻找影

响通流的主要症结．

(4)通过仿真实验分析，对比多个优化方案，可以在建设项目实施之前寻找出最优方案，避免了个人主观经验的随意性．

(5)借助于交通仿真技术，通过良好的用户输入输出界面，软件的运算结果可方便地与用户交互，增强了软件的实用性和方便性．仿真结果的动画演示的直观性使得即使是非专业人员也能很容易理解．

[1]交通仿真技术的优势，使其能更好地满足以下应用领域的交通分析需求．

(1)交通管理系统设计方案的评价分析；

(2)交通设施改进方案的评价分析；

(3)道路交通安全分析．

仿真技术以其高效、优质、低廉体现了它强大的生命力和潜在能力．国外早在2O世纪六七十年代就开始了交通仿真的理论基础研究，在经历了4O余年的发展与完善，已进入了成熟期与应用期．相比之下我国的交通仿真研究起步晚，基础研究不完备．因此，应用国外的交通仿真软件对我国的交通情况进行仿真，解决实际问题，这对改进交通状况具有很大的现实意义．国内外交通特点的对比分析

选用TSIS作为仿真软件对项目交通影响进行探讨，之所以选择TSIS，不仅因为它模型完备，功能强大，更重要的是它具有极度的开放性，几乎所有的模型参数都可以由用户自行设

[2]定，具有很好的二次开发平台作用．由于TSIS是针对国外交通流特性建立的交通仿真软件，所以在利用TSIS分析国内的交通问题时，首先应该分析国内外交通特性的差异．通过实验总结，将国内外交通流特性的主要差别归纳如下：

(1)道路环境．

[3]国外道路设计规范和道路系统都相对完善，所以在交叉口处的道路条件比较一致；而

国内由于道路系统发展相对较晚，道路设计规范不够健全，造成交叉口处存在较多的特殊条件，如掉头车道等．

(2)车辆状况．

国外车辆的性能以及状况都相对比较好，而北京的车型则相对比较复杂，国产车辆的加、减速性能在总体上较国外车辆存在一些差距．

(3)驾驶行为．

由于国外与北京的驾驶人员在驾驶习惯以及个人素质方面的差异，导致驾驶员的车辆跟驰和换车道行为都存在不同的特性．如在换车道行为中，国内的强制性换车道现象多于国外．

(4)交通组成．

国内的交通存在大量的人流和非机动车流，这与国外仅有少量的行人干扰存在本质的差别．实例分析

以中关村西区交通影响分析为实例，验证了TSIS对项目周边交通流状况的仿真精度，通

过对

比不同方案的仿真结果，提出了交通改进方案的优化方案，获得了较好的仿真效果，证明了仿真软件用于TIA的可行性．

3．1 交通改进方案的优化过程

针对中关村西区的具体特性和周边交通状况，利用交通规划软件对项目进行了深入的交通影响分析和评价后认为，由于项目的开发规模较大，又是集综合科技贸易、综合办公、商业及配套设施为体的综合性大型建筑群，2010年项目全部投入使用后将增加周边路网的交通压力．为了减小项目所带来的负面影响，缓解项目对周边路网的交通压力，对其周边交通组织和交通设施提出了改进方案，下面应用TSIS进行仿真，以优化项目周边交通改进方案．

交叉口是影响整个路网是否畅通的主要节点，因此交叉口对整个路网的畅通与否至关重要．应用TSIS进行仿真，其在路网中分配的交通量主要受交叉口流量的转向比例控制，在TSIS中有众多的模型参数，根据以上分析，针对北京交通的主要特征以及与国外交通相比存在的主要差别，标定了道路、车辆和驾驶行为方面的关键参数，并建立了相应的仿真模型．

(1)道路参数：包括路段长度、车道数量、车道宽度及车道功能划分、交叉口的位置等

[3]一般参数．值得一提的是，仿真实验中，为了在北四环快速路上搭建盖板，将其分为双向平行的两条路，具体的交通仿真实现情况如图1所示．

(2)由于车辆性能差别标定的模型参数包括启动延误时间、饱和流平均车头时距等．

(3)与驾驶行为相关的模型主要是跟驰模型和换车道模型．跟驰行为的差异主要表现为期望速度的不同；驾驶员在交叉口引道中的换车道行为是影响交叉口是否畅通的主要因素．

基于以上与国外交通特性存在差别的关键参数，以及TSIS模型中的其它关键参数，应用TSIS对提出的每个改进措施进行仿真，主要通过调整信号配时、进行路口渠化以及道路改线的仿真实验，(4)交通组成：由于国外的交叉口很少有大量的人流和非机动车流干扰，同时计算机仿真很难精确描述人流和非机动车流的行为特征，所以这里令将TSIS模型中过街行人的干扰值设为最大，以表示大量人流和非机动车的影响．

实现逐步优化交通改进方案．优化交通改进方案动画仿真过程如图2和图3所示．具体的改进方案如下：

(1)建议对海淀镇中街向南打通，连接到北三环快速路(如图3所示)，以减少项目开发后对北四环辅路和自颐路的交通压力．

(2)在正对着项目规划5号路的北四环辅路上设置定向匝道(如图3所示)，使西区内出来的车辆可以直接进入北四环主路，可以提高晚高峰的疏散速度，同时减少北四环辅路的流量．

(3)在正对着项目内部规划4号路的北四环能，在演示周边路网的运行过程中，发现交通流状主路上加盖板(如图3所示)，以使北四环对面辅路上的机动车进入项目，可以减轻对自颐路的交通压力．

(4)建议对海淀镇北街向西打通(如图3所示)，连接到万泉河路，以减少项目开发后对苏州街、海淀南路的交通压力．

尽管利用交通规划软件的方法在改进交通设施中具有一定的普遍性和通用性，且简单易行，但对于特殊问题往往显得无能为力，如在中关村西区交通改进的实例分析中，调整主要路口的信号配时并进行路口渠化后，项目周边路网交通流状况都没有得到明显的改善．但通过TSIS的动画显示功能，在演示周边路网的运行过程中，发现交通流状况有明显的提高．

3．2 交通改进方案与现有方案的对比

基于以上分析，通过动画演示功能分析提出了优化措施，与路网现有交通组织方案进行对比，对比结果如表1所示．由表1可以看出，项目周边主要道路交通量及负荷度在改进后比改进前明显有所下降．一小结

本文通过对中关村西区交通改进方案的仿真实验，证明了TSIS可以比较精确地描述国内路网的实际交通流特性，并应用仿真动画演示功能，直观地发现了现有交通组织方案存在的问题，提出了相应的措施，实现了特殊情况下交通设施的改进．

同时也应该看到，借用国外的交通仿真软件分析我国的交通问题只是权宜之计．我国还存在许多特有的交通特性，比如大量的非机动车引起的交叉口内的机非混行现象，大量的人流影响，强制性换车道行为的频繁发生等，这些交通现象的差别可能正是导致我国交通流特性与国外交通流特性存在差异的本质原因，因此，应建立符合我国交通流特征的交通仿真模型，以解决我国的城市交通问题．

参考文献

[1] 邹智军，杨东援．道路交通仿真研究综述EJ]．交通运输工程学报，2001，1(2)：88—91．

[2] CORSIM User’S Manual version1．04 [M ]．Washington，D．C．：FHW A，1998．4．

[3] 美国交通研究委员会专题报告209号．道路通行能力手册[M]．任福田等译．北京；中国建筑工业出版社，1985．

第三篇：整合分析在审计学领域的应用

龙源期刊网 http://.cn

整合分析在审计学领域的应用

作者：强韶华

来源：《财会通讯》2006年第08期

摘要：整合(Meta)分析是一种严密、系统的分析方法，本文根据Meta分析在心理学、生态学、教育学、社会决策学等领域的研究成果，分析其理论方法。尝试将Meta分析应用在审计学领域，结合实际案例研究Meta分析在审计学领域的应用步骤和方法，并根据案例结果探讨其在审计学领域的应用前景和存在的问题。

第四篇：金属基复合材料在航空领域的应用与发展

材料表面与界面

题目：金属基复合材料在航空领域的应用与发展

学院：化学与化工专业及班级：无机121 年级： 2012级学生姓名：严红梅学号： 1208110439 教

师：

张

煜

2014

年月

日

金属基复合材料在航空领域的应用与发展

严红梅

（贵州大学

无机121班）

【摘要】：介绍了金属基复合材料的构成、分类，以及性能特点分析了铝合金和钛合金复合材料的性能。讨论了金属基复合材料在航天器结构材料、热管理系统、电子封装、惯性器件、光学仪器和液体发动机中的典型应用。【关键字】复合材料，金属基，性能，应用。

引言

金属基复合材料（简称 MMC）是以金属、合金或金属间互化物为基体、用各类增强相进行增强的复合材料。它是复合材料的一个分支。近代科学高新技术的迅速发展，特别是航空和航天应用技术的发展，对材料的要求越来越高。除了要求材料具有高强度、高模量、耐辐射、低热胀、低密度、可加工性外，还对材料的韧性、耐磨、耐腐蚀及抗蠕变等理化性能提出种种特殊要求，这对单一的某种材料来说是很难都具备的。必须采用复合技术，把一些不同的材料复合起来，取其所长来满足这些性能要求。金属基复合材料就是在这样的前提下产生的。这些年来 MMC得到了广泛关注，并在航空和航天工程中取得了应用的成果。据美国航天局预测：金属基复合材料将成为本世纪空间战、卫星和空间飞行器的主要结构材料[1]。正文

1金属基复合材料的分类

MMC 通常按增强相形态分为连续纤维增强 MMC 和非连续增强（颗粒、晶须、短切纤维）MMC两大类，最常用的增强纤维为碳纤维（Gr）、硼纤维、碳化硅（SiC）纤维、氧化铝（Al2O3）纤维。晶须和颗粒增强体有碳化硅、氧化铝、碳化钛（TiC）、氮化硅（Si3N4）等。MMC 也可以按金属基体类型分类，分为铝基、镁基、铜基、钛基、钛铝互化物基等 MMC。其中铝基镁基 MMC 使用温度在 450℃以下、钛基和钛铝互化物基 MMC 使用温度 450～700℃，镍基钴基 MMC 可在 1200℃下使用。铝基 MMC 是各国开发的重点，我国亦已列入相关计划。连续纤维增强 MMC 中由于纤维是主要承力组元，而且这些纤维在高温下强度很少下降，因此具有很高的比强度和比刚度，在单向增强情况下具有很强的各向异性。其中连续纤维增强钛合金基复合材料，已成为竞争力很强的高温结构材料。由于制造工艺复杂，且有些长纤维（如硼纤维）价格十分昂贵，基体仍起到主要作用，其强度与基体相近，但刚度、耐磨性、高温性能、热物理性能明显增强，制造工艺也相对简单，技术难度较小，可以在现有冶金加工设

备基础上工业化生产，成本较低。例如，非连续纤维增强的铝基复合材料开发已比较普遍，但它的增强作用也主要是体现在重量的降低和刚度的提高。

2金属基复合材料的性能特点

金属基复合材料集高比模量、高比强度、优良导热和导电性、优良尺寸稳定性和耐高温性能于一体，是近年来复合材料研究的热点。其具体性能取决于所选金属基体和增强材料的特性、含量和分布。

比强度和比模量

基体和增强相的直接增强和基体组织变化产生的间接增强，显著地增强了材料的强度和刚性。在金属基体中加入体积份数 30～50%增强材料后，材料强度和模量就会有显著增大。和未增强金属材料的性能比较

导热性和导电性

由于金属基体在 MMC 中含量通常很高，体积份数一般为 50～70%，因此它仍旧保持金属材料所具有的良好导热和导电性。采用高导热性增强材料（如超高模量碳纤维）增强后复合材料导热率有时比纯金属还高，因此非常适合制作集成电路底板和封装件，将电子部件的热迅速散发出去。优良的导电性能，使它具有其它类型复合材料缺乏的波导功能。

尺寸稳定性

许多增强材料既具有很小的热膨胀系数（甚至是负值热膨胀系数），同时又具有很高的模量用这些材料增强的 MMC 可以使热膨胀系数明显下降，并且达到很高的模量，因此十分有利于航天部件在大幅度温度交变环境中，保持良好的尺寸稳定性，使部件实现高精度，高效率。

耐高温性能

MMC 高温性能通常优于金属材料，特别是在连续纤维增强时，由于纤维起主要承载作用，很多增强纤维在高温下强度很少下降，因此许多 MMC 的高温力学性能可保持到金属熔点，这和普通金属材料（如铝合金、钛合金）随着温度升高，强度迅速下降的特点形成鲜明对比。

可焊接性

MMC 可以采用传统的电弧焊（如气体保护焊）进行焊接，这是它和其它类复合材料加工性的显著区别。其焊接性能和基体合金类似，主要区别在于其熔池具有很高的粘度，在焊接横截面大的零件时，熔池的高粘度会阻碍零件焊透，因此必须开焊接坡口。MMC 的可焊性不仅可以用来连接结构件，而且用来补焊和修复铸件缺陷，使 MMC 具有更好的可加工性。

3在航天器上的应用

由于金属基复合材料强度、刚度、疲劳性能、热性能等良好的性质，在过去 30 年中已经受到了航天应用领域极大的关注。正如在参考文献中描述的，航空航天工业需要减轻太空推进系统和航天结构重量，金属基复合材料可提供一些潜在的优点来达到这个目的。此外，这种材料还经常伴随着良好的热传导性和低密度等特性，因此具有了高比强度和比刚度，低热膨胀系数(CTE)等优点，并且有可能根据特定应用要求来设计其性能。由于这些吸引人的性质，金属基复合材料已经被用在一些重要的航天应用中，包括航天飞机轨道器的结构管件、哈勃太空望远镜的天线波导竿，通讯卫星装置中的热管理。

结构材料

MMC 用作航天器结构材料，具有超过聚合物基复合材料的一系列性能优点（耐高温能力，老化性能、出气量、抗辐射和抗原子氧、抗热冲击、导热率、尺寸稳定性、表面缺陷敏感性等）。从上世纪 80 年代以来的一系列应用已经充分展示了它的效益。然而由于成本原因，直到现在它的应用仍限定在较小范围内。MMC 在航天中的最早应用是美国航天飞机，它的轨道器中段机身主隔框、翼肋桁架、框架稳定支柱、前起落架、制动拉杆支柱，共使用了 243 根 B/Al 复合材料管形支撑件，用体积含量 60%的单向硼纤维增强铝制成，纤维方向平行于外加载荷方向，刚度好，比铝合金减重 145kg，质量比铝合金轻 45%，效益十分显著（见图 11）。继后前苏联开发的“暴风雪”号航天飞机的卫星支架，也采用了 B/Al 管材焊接而成的桁架结构，轮廓尺寸 3m×3m，可同时放置三颗卫星。所用的硼纤维直径1400µm，在钨芯上用气相沉积法制成，断裂强度 3500MPa、弹性模量 400MPa。制成的复合材料桁架重 100kg，比钛合金轻 50～60kg，在性能方面和美国大体相当。

MMC 用作航天器天线、太阳电池阵桁架等结构也取得了成功。美国的哈勃太空望远镜的高增益天线杆结构，需要非常高的轴向刚度和极低的热膨胀系数，以保障反复出入太阳直射条件下保持尺寸稳定性。它采用 P100 超高模量碳纤维（体积分数 40%）增韧的铝 6061 基 MMC，采用扩散粘结工艺制造。杆长 3.66m，杆全长的尺寸偏差仅±0.15mm，确保了太空机动飞行时天线的方位。另外它还由于具有良好的导电性能，从而提供了波导功能，保障了航天器和天线反射器之间的电信号传输，整个部件比碳/环氧材料轻 63%。为先进太阳电池阵展开机构研制的非连续增强复合材料可折叠大梁、中空长螺杆、特形螺母、导向摇臂，是 MMC 在航天器中的一个重要应用尝试。4.2 热管理系统和电子封装

火箭和卫星热管理系统是 MMC 的另一项重要应用，包括计算机芯片基片、大功率半导体设备和远程通信的微波元件封装。这类应用要求封装材料热导率在 4～7×10-6/K 范围

内，以保证和半导体材料及陶瓷基片的热导率匹配。非连续增强 SiC（体积份数≥50%）/Al 基复合材料具有优异的匹配性。已成为当前最佳的热管理材料。从 90 年代起已在一系列先进航天器上正式应用。如美国“摩托罗拉”公司的“铱星”，“全球定位系统”（GPS）“火星探路者”和“卡西尼”深空探测器等，取代以前采用的高密度低导热率 Cu/W 合金后，重量减轻约 80%，无论是军事效率，还是经济效益和社会效益都十分可观。MMC 本身不会漏气，而且可用焊接的连接工艺确保连续处密封，这为制成密封舱体提供了先决条件，并在电源半导体封装、微波模型上得到应用。DSCS-III 军事通信卫星等，使用了超过 23kg 的镍基复合材料用于微波封装。已研发生产的石墨颗粒增韧的铝复合材料，除了具有高的比导热率外，热膨胀系数明显降低，且各向同性，将使不连续增韧铝复合材料电子封装在太空应用中继续得到发展。

液体火箭发动机

采用 MMC 对于减轻液体火箭发动机重量和降低成本都具有显著作用，目前已受到各国重视。美国国防部和航空航天局联合提出的一项为时 15 年的改进航天推进系统性能的（IHPRPT）中，提出要使液体发动机推重比提高 60%，成本降低 20%。采用 MMC 是其重要措施之一，已开展了一系列研制和演示试验。重点是下列三类部件用的铝基复合材料。第一类是在中温下有很高刚度的部件，如法兰盘、推力室、夹套、支承结构，模量>220GPa，目前使用的是 Ni 基超级合金；第二类是较高温度下工作（≯260℃）的部件，如涡轮转和定子、外壳、高温推进剂管线等。单级泵材料强度要求为 862MPa，目前为 Ni 基超级合金；第三类是低温推进剂泵部件，包括泵体、叶轮、导流轮、导流片等，需要采用可以在-244℃下工作、强度范围 675MPa，延伸率>6%，密度<4g/cm3，热膨胀系数较低且可控的 MMC 材料代替目前的锻造 Ti 合金。目前正在根据上述目标开发各种铝基复合材料，并采用近净形加工方法。其关键技术在于控制颗粒体积份数和均匀分布。研究中的有颗粒和短纤维增强铝基 MMC，前者强度已达到 620MPa 的较高水平。针对液氧泵和管线部件的相容性要求，正在研制铜基 MMC 材料，要求 260℃下强度达 413MPa，密度<7.5g/cm3。在某些发动机部件中还正在开发镍基 MMC。【结论】

金属基复合材料已在航天系统中使用，如航天飞机轨道器和哈勃太空望远镜。虽了解各种金属基复合材料的工艺/特性的关系中得到了一系列的进展，但金属基复合材料工艺复杂，制造成本高，仍然没有被航天业广泛地接受。在发展新的航天系统中成本已经成为不得不考虑的因素，因此在将来开发时，必须集中在价格适宜、质量高的材料。另一方面，金属基体

优秀的任性和良好的耐空间环境性能是 MMC 具有优异性能的基础，加之它在很大程度上可以借鉴或沿用金属材料和树脂基复合材料工艺技术，这都决定了 MMC 在航天领域更加广阔的应用前景。

参考文献

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