經(jīng)大量實驗證明，三維復合材料桁架結構，即絕緣管束結構（IsoTruss），是迄今質(zhì)量最輕和最有效的管束結構。

設計結果：
• 在相同的負荷下，復合材料格結構的重量只占鋼管重量的百分之十三。
• 通過對不同材料和格形狀的選擇，可以針對不同用途對結構的強度和剛度進行設計。
• 開放式的結構和極低的耗材量使絕緣管束結構比一般的低成本非復合材料材料，如木材，更具競爭力。


圖1： 絕緣管束結構(IsoTruss)示意圖


圖2：鋼管，鋁管，和碳纖維復合材料管束結構受到彎曲應力時的單位重量對照。

住過斜屋頂房子的人一定對桁架（truss）結構不陌生—— 是一種通過簡單的兩維連接方式而成的堅固的三角形狀，該結構能夠支撐起整個屋頂。但如果通過三維的方式將桁架結構與復合材料相結合的話，就能形成另外一種質(zhì)量更輕、卻具有巨大強度-重量比的結構——絕緣管束結構（IsoTruss）。 123,123

IsoTruss最初是由楊百翰大學（BYU）高級復合材料研究中心的戴維楊森博士發(fā)現(xiàn)，并將它定義為“絕緣管束結構”（IsoTruss）。絕緣管束結構是一種看上去呈纏繞籠狀、開放式的管束構造，由一系列相交的三角形重疊成管束狀的對稱金字塔結構。絕緣管束結構現(xiàn)在在美國持有獨家授權技術。

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

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利文斯頓解釋說：“我們所做的正是汲取了這世界賜予的最好的方式，我們的管束結構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合起來將其投入自動化生產(chǎn)，從而還提高了勞動效率。”

難以置信的強度與重量

絕緣管束結構（IsoTruss）從整體上看是一個籠狀管式格子結構，由一系列三角形組重疊而成。從橫截面的方向看去，全復合材料絕緣管束結構會在三維空間呈現(xiàn)出一個對稱星形，這些三角形沿結構的縱向形成一個向外的金字塔形。

絕緣管束結構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。當在同樣負載的情況下，它比鋁材管的重量少二十五個百分比，比鋼材管少百分之九。

絕緣管束結構中的每個單元都是由單向纖維束或粗紗纏繞在一個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關節(jié)保護。絕緣管束結構適合用于對彎曲、屈曲、軸向、扭轉、以及聯(lián)合載荷有較高要求的用途。據(jù)利文斯頓介紹，絕緣管束結構特別適合于圍繞中心軸或沿其縱軸附近有多個受力點位置的結構。其實，它是一種類似于I-型梁的結構，每個格子的縱向梁跟梁翼緣的作用差不多。 123456

例如，當該結構承擔軸向載荷的情況下，其縱向單軸會承擔約百分之九十五的荷載，而此時螺旋三角軸則起到支撐縱軸，和增加結構剛度以及防止局部屈曲的作用。但是當該結構在受到扭轉力的情況時，多數(shù)負荷就會落在螺旋三角軸上。這種徑向?qū)ΨQ分布能夠有效幫助分散負荷，并幫助在中心線軸的多個位置產(chǎn)生一種均勻的抗屈曲應力。

利文斯頓說：“因為所有的纖維都是單軸向的，這就意味著即使在受力的情況下，纖維也不會發(fā)生偏軸的危險，因此該結構不僅能優(yōu)化現(xiàn)有結構的屬性，同時還大大提高其損傷容限。例如，當你通過標準螺旋纏繞工藝用某些低模量纖維纏繞一根實體管結構時，纖維的彈性模量可能在纏繞過程中下降百分之五十，或發(fā)生離軸的情況。而我們的結構能夠?qū)⒗w維的模量保持在接近20 Msi的水平。”

結構的強度和剛度還可以通過定制纖維和樹脂類型和組合進行自定義，同樣，可以通過控制纖維束/粗紗的數(shù)量，達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，最大限度地加強軸的強度，同時節(jié)省材料成本。對于非對稱彎曲載荷，即在一個方向上承擔多個載荷，該團隊也曾經(jīng)嘗試過橢圓截面的做法。

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圖3：六節(jié)點（前）和八節(jié)點（后）絕緣管束結構設計示意圖，藍色線代表縱向單元軸。

絕緣管束結構（IsoTruss）可以被制備成六至十二節(jié)點的結構，或金字塔結構。利文斯頓解釋說，八節(jié)點結構的抗彎曲和屈曲效果最好，因為該結構的縱向軸離中心軸的距離最遠，這會幫助增加整體結構的轉動慣量和剛度。而六節(jié)點結構的耐側沖擊負荷性能最強，因為它的整體直徑相對較小，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，在建造管束結構時，應該加大整體直徑，從而幫助提高轉動慣量和結構剛度，”利文斯頓說。“但是，雖然直徑加大了，壁厚卻必須相應減小，以保持結構應有的效率，否則管束結構會變得易碎，并導致殼體線性屈曲失敗，效果就像碾碎一個汽水瓶一樣。” 正是因為絕緣管束結構（IsoTruss）擺脫了實體管壁的傳統(tǒng)構造，因此可以允許加工成直徑更大的結構，僅僅受分布在金字塔結構外部的壓縮負荷的限制。反過來，金字塔結構同樣可以將側載荷沿軸向傳遞到金字塔的基部和縱向軸上，該方式比同等實體管結構的力學傳遞效能更高。經(jīng)大量測試證明，絕緣管束結構（IsoTruss）的格管結構要比實體的纖維纏繞復合材料管結構的強度高兩倍，但耗材量才僅僅是后者的一半。


圖4：絕緣管束結構產(chǎn)品擁有不可比擬的重量優(yōu)勢。

IsoTruss公司首席執(zhí)行官克里斯托弗•德靈頓說：“楊百翰大學的研究人員已經(jīng)對不同尺寸大小、不同長度、以及不同纖維/樹脂的組合的絕緣管束幾何結構（包括六節(jié)點和八節(jié)點）的彎曲和軸向屈曲進行了大量的測試和驗證，結果已經(jīng)證明了這一概念的可行性，而我們的主要任務將是如何將這個概念轉化為實際的生產(chǎn)力。”

從設計到制造

IsoTruss結構公司發(fā)展的主要挑戰(zhàn)存在于生產(chǎn)設計，并將該概念轉化為實際應用。目前，現(xiàn)有的絕緣管束結構基本上都是采用加長單頭繞絲機，在一個長25英尺的特制可分割金屬芯棒上進行纏繞，該設備由Entec復合機公司（位于猶他州鹽湖城）提供。纏繞圖案由一個可編程邏輯控制器管理。纏繞的原料一般是單個或多個連續(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)氧樹脂復合而成的預浸料，或通過濕法纏繞工藝在纏繞纖維的過程中加入一系列樹脂。IsoTruss公司擬定了幾家碳纖維供應商，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托）和Fortafil纖維公司（田納西州諾克斯維爾）。一個完整的絕緣管束結構的厚度從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，位于結構中心的心軸將被抽出。

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IsoTruss結構公司在開發(fā)不同大小的三角形和金字塔形狀時，在不同類型的節(jié)點制備中采用了具有特殊凸槽設計的心軸。該公司為了開發(fā)不同長度的可互換模塊化心軸系統(tǒng)花了大量時間和資源。德靈頓指出：“如何能開發(fā)一種經(jīng)濟實用的心軸是一大挑戰(zhàn)，它關乎到將來能否實現(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發(fā)成本和時間都遠遠超出我們的預期。不過，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一臺長40英長的三錠纏繞機。

此外，IsoTruss結構公司還開發(fā)了一個名為絕緣管束結構優(yōu)化（IsoTruss Optimizer）的設計軟件，設計工程師能輸入載荷并計算出相應結構的大小，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構產(chǎn)品的直徑達40厘米/16英寸。不過，該公司正在開發(fā)相關模具用以生產(chǎn)直徑達0.62米/2英尺，長度為6.2米/20英尺，并用金屬螺栓固定在一起的絕緣管束結構產(chǎn)品。塔結構就是將這些絕緣管束結構段搭建起來，初步搭建的塔結構能達到86.2m/280英尺高。利文斯頓說，結構段部分也可用實體管的端材制造，用膠粘劑連接在一起制成。他說：“我們的結構還展現(xiàn)出良好的力學擴展性能，即使將結構的直徑擴大到16英寸以上也同樣可行。我們的下一個目標是在不久的將來制造出規(guī)模更大，高度和自由跨度能高達500英尺的絕緣管束結構產(chǎn)品。”

現(xiàn)在，塔結構原型已經(jīng)安裝完畢，IsoTruss結構公司也收到許多相關訂單，產(chǎn)品將主要應用于建造塔結構，例如裝載測量儀表的氣象塔。冷卻塔和電線桿項目也已經(jīng)跟進。德靈頓指出，采用絕緣管束結構設計的桿結構要比現(xiàn)有的玻璃纖維桿更有高度優(yōu)勢。在2003年，該技術已經(jīng)使輸電塔達到高于80英尺的高度。 copyright 123456


圖5：絕緣管束結構拉線塔。

雖然目前的制造方法已經(jīng)達到制造出較大規(guī)模結構的能力，但是成本和有限的生產(chǎn)力限制著結構直徑的擴大。公司對未來的設想是采用一種類似于編織機的連續(xù)的自動化處理設備，來幫助降低生產(chǎn)成本。利文斯頓說：“隨著受眾對此類產(chǎn)品的開放式結構的認知度的提高，以及隨著這種結構的耗材量優(yōu)勢日益顯現(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)日益超越許多非復合材料材料，如木材。”

值得一提的是，由于任何纖維和樹脂的復合材料都可以用來制造這種絕緣束管結構，因此這個想法得到了運動自行車業(yè)的關注，特別是采用目前以高性能低重量著稱的碳纖維復合材料來制造復合材料絕緣管束結構。美國德爾塔７運動公司（猶他州培森市）就用碳纖維復合材料制造出一款應用于自行車框架的絕緣管束結構。


圖6：采用IsoTruss結構的自行車

還有一些其他機構也紛紛表示出對該結構的濃厚興趣，并投身到束管技術的新應用研究行列，包括美國化工協(xié)會（ASC）已經(jīng)開始對建造通訊工具的發(fā)射塔工程的研究。此外，楊百翰大學和德爾塔７運動公司正共同致力于一項創(chuàng)新技術——“三維編織結構”的研發(fā)，據(jù)悉，該技術能免去使用心軸或模具等工具，直接利用計算機模型連續(xù)生產(chǎn)復合材料絕緣管束結構，能大大節(jié)約制備時間同時降低勞動量并減少加工成本。

可以預見的是，隨著制備技術和工藝的進一步提高，這種集硬度、強度、和輕質(zhì)于一身的管束結構將成為未來復合材料技術的發(fā)展方向。

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