1導讀

減輕結構重量，提高結構效率一直是工程設計中迫切需要解決的問題。從設計角度來看，有提高結構效率有兩種思路：（1）替換材料（2）改變結構構型。點陣結構是由一系列單獨元件通過接頭連接起來的網絡狀幾何結構，組成元件主要承受軸向載荷。可以通過將材料分配到局部的離散元件提高結構承載效率（例如可以將材料分配遠離彎曲軸線或扭轉軸線的位置，來提升彎曲剛度和扭轉剛度）。

將復合材料應用于點陣結構同樣具有很強的優勢：復合材料因其各向異性，具有很強的可設計性，可以通過鋪層設計使主要軸向承載元件的性能最大化。將復合材料與點陣結構構型相結合，可以達到意想不到的高結構效率。

近年來有關復合點陣結構的研究興趣增多，但到目前為止，其在工業設計中的應用仍受到很大限制。主要原因是復合材料點陣結構的元件組裝、連接異常困難。

廣義上講，復合材料點陣結構的制造方法有兩種。第一種傳統的制造方法中，點陣元件是預先制作好的，然后組裝成點陣結構體。這種方法制作的點陣結構相鄰元件之間的接頭處纖維存在不連續。第二種方法使用更先進的制造技術來同時成型點陣元件和幾何體，如連續纖維增材制造。后一種方法可使相鄰元件之間的纖維保持一定的連續性，并可以大大減少或消除復合材料連接件。然而，這種方法也同樣面臨自身的挑戰。例如，在開放點陣幾何體中使用復合材料會使構件難以固結。如何有效地制造這些復合材料點陣結構是充分釋放點陣結構潛力的關鍵問題。

2022年，在新一期的《Composite Structures》期刊上，刊出了英國布里斯托大學有關復合材料點陣結構的綜述文章《A review of composite lattice structures》，文章以復合材料點陣結構制造為重點，對不同結構形式的復合材料點陣結構及其制造工藝進行了詳細綜述。

文章將復合點陣結構分為以下三類：

• 復合材料點陣梁結構(Composite lattice beam structures，CLB) ：

• 復合材料格柵加筋結構(Composite grid stiffened panel structures，  CGSP)

• 復合材料點陣夾芯結構 (Composite lattice core sandwich panel structures，CLCSP) 

2 復合材料點陣梁結構

復合材料點陣梁結構宏觀上由一系列一維梁排列組成，包含平行于梁軸線的縱向構件和斜向于梁軸線的剪力構件，縱向構件主要承擔軸向和彎曲荷載，而剪切構件承擔剪切和扭轉荷載。該結構彎曲效率很高，同時具有較高的軸向剛度和強度。基本元件通常由纏繞工藝制備而成。

2.1 復合材料點陣梁結構技術

復合材料點陣梁結構主要有以下幾種類型：

（1）組合式復合材料桁架結構

此類結構最早出現在1997 年，Schütze發表的文章中詳細介紹 了Zeppelin-NT 飛艇中使用了復合材料點陣梁結構概念，這些梁具有等邊三角形截面，并使用將單個構件粘接在一起的傳統方法制造。這些構件由新型“夾層支柱”構成，采用輕質泡沫芯材，外圍環繞薄的單向 (UD) 復合材料層和編織玻璃布。該桁架的重量約為同類鋁桁架重量的一半。

等邊三角形截面桁架結構

（2）IsoTruss結構及其衍生結構

IsoTruss是在本世紀初嶄露頭角的。由美國猶他州Brigham Young University研發，并為此注冊了“Isotrade”的商標。

IsoTrusses 的制造涉及連續纖維纏繞，以同時形成晶格幾何形狀和單個構件。這些結構的幾何形狀很復雜，具有不同的橫截面形狀和幾種不同的布局。研究最多的布局稱為 6 節點 IsoTruss，由六個縱向構件和兩組相對的六個螺旋構件組成。其他變體還包括 8 節點和雙殼 IsoTruss。

6 節點IsoTruss結構

從 IsoTruss衍生的另一種結構是矩形截面 的IsoBeam 技術，與IsoTruss相比，IsoBeam 通過重新定位遠離梁中性軸的一些縱向構件來提高抗彎剛度。然而，這是以增加制造復雜性為代價的。目前，關于這一概念已經通過實驗研究了由預浸材料的長絲纏繞制造樣品的彎曲行為。

矩形截面IsoBeam

（3）WrapToR 桁架

2012 年，馬里蘭大學的研究人員發表了 2009 年開始的關于打破世界紀錄的 Gamera II 人力直升機的設計工作。為了滿足直升機葉片和機身的嚴苛質量要求，設計師開發了一種新型復合材料點陣梁，該梁采用纖維纏繞法制造。該概念后來被命名為纏繞式絲束增強 (WrapToR) 桁架。WrapToR 桁架制造過程包括將預制管狀復合材料縱向構件固定在旋轉心軸上，同時將濕纖維束纏繞在它們周圍。然后將潤濕的絲束固化，形成剪切構件，這些剪切構件同時彼此共固化并與下面的縱向構件共膠接。

三角形截面梁WrapToR 桁架

（4）纖維纏繞 GFRP 桁架

2011 年由Ju 等人提出了玻璃纖維增強聚合物 (GRFP) 桁架概念。該結構具有三個縱向構件，形成等邊三角形的截面形狀。縱向構件由與縱向軸線對角延伸的螺旋纏繞構件和垂直于梁縱向軸線延伸的垂直支柱連接。

（5）開放式復合材料結構

open-architecture composite structures (簡稱，O-ACS)，這類結構通過在圓柱形芯軸上進行maypole編織來制造。最終的點陣梁由縱向構件和兩組反向螺旋構件組成。通過改變編織模式，可以生產具有不同數量的縱向和螺旋構件的梁。

（6）連續梁概念

美國San Diego復合材料公司正在開發的一種連續制造工藝，以生產方形截面點陣梁。該工藝名為“先進復合材料桁架的連續打印”（continuous printing of advanced composite trusses，CP-ACT），旨在現場制造大型空間結構。與WrapToR桁架不同，ACT在縱向構件中使用預浸料，產生共固化晶格結構。在已發表的工作中，連續過程沒有詳細說明，測試的樣品是用纖維纏繞法生產的。

另一家名為Tethers Unlimited的公司正在開發一種類似的空間結構原位制造技術。這個系統叫做SpiderFab，設計用于在軌制造和組裝點陣梁。該項目最初發布的是一種名為Trusselator的桁架打印機，點陣結構梁使用熱塑性復合材料（碳纖維/聚醚醚酮），該材料在空間環境中能保持優異的性能。

熱塑性桁架梁

2.2 復合材料點陣梁制造、加固及增強方法

復合材料點陣梁的制造工藝主要來源于纖維纏繞或編織。兩者都是成熟的、高度自動化的復合材料制造工藝。編織技術以增加復雜性為代價，提供了連續梁制造的潛力。纖維纏繞提供了一個更直接的過程，在該過程中，當考慮心軸剛度時梁的長度需受到一定限制。在一些技術中，例如IsoTruss和ACT，已經提出通過編織進行生產，但原作者選擇在制造試樣時使用纖維纏繞。

在編織或纖維纏繞梁中，點陣構件由連續的復合材料紗線組成，這些復合材料紗線貫穿整個梁的長度。這種方法的一個關鍵挑戰是將各個元件組合成一個整體。IsoTruss和IsoBeam結構中的首選方法是在纏繞后用Kevlar進行包裹；O-ACS技術采用的另一種方法是在構件上編織一個外套管，以提供加固。這種方法不需要額外的制造步驟，因為構件的編織與結構的編織同時進行。與Kevlar包裹法不同，該方法不提供接頭加固。

用Kevlar后處理包覆的IsoTruss和IsoBeam樣品是唯一的節點采用纖維增強的點陣梁，其他所有技術都依賴于聚合物粘結。對于使用熱固性樹脂體系的技術，使用了膠接、共膠接和共固化等連接技術。在Trusselator機器生產的點陣梁中，元件之間的熱塑性粘結是通過將加熱的熨斗壓在接頭上而形成的。

3 復合材料格柵加筋結構

復合材料格柵加筋結構是由一系列復合加強筋構成的結構，這些加強筋排列成重復的二維（2D）平面網格形式。網格結構通常與復合材料蒙皮粘接或共固化以形成連續的表面。格柵加筋通常做成彎曲的，形成圓柱形或錐形表面，對軸向壓縮載荷表現出優異的抵抗力，因此已被用于運載火箭承力結構。

3.1單壁格柵加筋結構

格柵加筋的重復幾何布置特別適合通過纖維纏繞進行制造，尤其是圓柱形結構。俄羅斯曾使用纖維纏繞來制造用于質子M運載火箭有效載荷適配器結構。該運載火箭成功發射40次，與鋁合金結構相比，該適配器的質量降低了60%，成本降低了30%。

纖維纏繞軸

2001 年，Han 和 Tsai 提出了一種嵌鎖復合材料格柵結構 (interlocked composite grid，ILCG) ，使用單向拉擠纖維制作了筋條，并沿每個肋條的長度切割了半高槽。然后使用槽連接相對的垂直肋來創建正交格柵，并添加復合材料覆蓋層以加強開槽接頭。這種連接方法多年來一直用于木材和金屬結構，但由于需要在筋條上切槽以實現互鎖，不利于連續纖維復合材料性能的發揮，且失效易發生在槽根部。

另外，還可以通過自動鋪絲工藝來制造正交格柵加筋板。通過自動鋪絲機的“Clamp-Cut-Continue”功能來減少筋條交叉點的堆積和波紋。

3.2格柵夾芯結構

格柵夾芯結構與單壁格柵加筋結構的主要區別是格柵夾芯結構包含內外壁板，格柵加筋結構只包含單側壁板。

3.3.格柵結構制造方法和注意事項

（1） 纖維纏繞與自動鋪絲

纖維纏繞和自動鋪絲都可以用于制造格柵加筋結構。這兩種方法都允許自動放置纖維，但是結構的最終幾何形狀極大地影響了哪種方法最實用。迄今為止，纖維纏繞在圓柱形和圓錐形結構中應用最多，纖維纏繞也允許連續絲束鋪設，如果使用合適的纏繞路徑，整個結構不會出現不連續。

對于開口截面異形結構和平板，纖維纏繞不太適合。對于這類結構，適合采用自動鋪絲工藝，自動鋪絲還可以為加強板鋪層生成重復的幾何圖案。自動鋪絲非常適合平面結構和曲率較小的面板。雖然自動鋪絲允許連續絲束鋪設，但當轉向半徑較小時，需要切斷纖維，以防止彎曲同時允許纖維路徑重置。同樣，這適用于具有開口截面輪廓的平板或簡單彎曲面板。

（2）加強筋交叉處的材料堆積

格柵結構制造中固有的問題是加強筋交叉處的材料堆積。筋的交叉導致纖維橋接，并在交叉區域形成富脂區(下圖)，從而降低機械性能并導致早期失效。為了解決這個問題，通常采用三種方法。

第一種方法是允許加強筋的尺寸在接近交叉點時發生變化。通常，通過允許模具具有足夠的靈活性來改變格柵厚度。厚度變化會導致平面外纖維波動，降低機械性能，尤其是在壓縮條件下。NLR的研究人員使用自動鋪放工藝，將交叉處的縱梁進行局部減薄和加寬，保持筋條總厚度不變。如下圖左所示。雖然這種方法可以適用于以大約90°相交并且具有大部分雙對稱輪廓的筋，但是對于不具有雙對稱相交的不等軸格柵結構，筋的加寬仍然會導致厚度和纖維橋接的增加。

第二種方法是保持尺寸不變，但通過改變樹脂含量來進行補償。這種方法導致加強筋中的高樹脂含量和交叉處的高纖維含量。這種方法的主要缺點是加強筋的機械性能隨之降低。

第三種方法是去除材料。這種方法不可避免地導致交叉點處的纖維不連續。德國航天中心的研究人員利用自動鋪帶的切割能力實現了這一點。在鋪放過程中交替切割層，以產生具有恒定厚度、寬度和樹脂含量的配置(參見下圖右)。這種方法的明顯缺點是纖維的不連續性導致交叉部分的載荷傳遞效率低。

4 復合材料點陣夾芯結構

復合材料點陣夾芯結構是目前有潛力替代傳統蜂窩或泡沫夾芯結構的一種新型輕質結構，與復合材料點陣梁結構類似，復合材料點陣夾芯結構也能夠在較小的質量損失情況下將材料移動到遠離中性軸的位置，因此與傳統芯材相比，其結構效率更高。

前面展示的格柵加筋結屬于2D點陣夾芯結構，更為廣泛的是3D空間點陣夾芯結構。

4.1 單組分點陣夾層結構

在單組分點陣夾層結構系列中，根據內部構件的制造方式，可以分為四類:

• 嵌鎖/縫合點陣夾芯

• 軋制預浸材料支柱

• 共固化波紋點陣夾芯

• 泡沫芯模編織網夾芯

（1）嵌鎖/縫合點陣夾芯

下圖所示是一種“交織碳纖維增強點陣結構”。上下兩個層壓板上鉆有成排的孔。浸膠的纖維束通過面板中的孔縫合，布置成在八面體立方晶胞，然后形成3D點陣芯材。在縫合過程之后，通過增加上下面板之間的間隔來擴大芯材，從而在無需內部模具的情況下張緊和拉直絲束。然后在面板外側增加覆蓋層，以達到期望的厚度和平滑度。整個組件在熱壓罐中固化。

三維交錯點陣夾層

類似的還有八面體縫合夾芯和桁架編織夾芯。芯材的成型還可以使用真空輔助樹脂傳遞模塑(VARTM)或消失模。

縫合點陣夾芯

采用消失模和VARTM制作的點陣夾芯結構

（2）軋制預浸材料支柱

在這種方法中，通過將碳纖維預浸料的預切割片卷成棒狀來制成金字塔形點陣結構的支柱。然后將軋制的支柱插入穿孔預浸料面板之間的可拆卸金屬模具中。夾層板通過熱壓進行加固。

（3）共固化波紋點陣夾芯

這類結構由多組件組成，芯材和面板之間采用共固化連接，支柱的幾何形狀可以不斷變化來適應載荷的分布。

（4）泡沫芯模編織網夾芯

該結構屬于一種混合點陣夾芯結構，由金字塔形碳纖維晶格芯材和聚合物泡沫構成。碳纖維編織芯材通過三維編織制成，然后使用Kevlar纖維將編織網的節點縫合到3D編織織物面板上。整個結構通過被真空袋抽真空注入環氧樹脂。在樹脂的真空灌注過程中，泡沫支撐并限定了晶格的橫截面形狀，泡沫被嵌入在里面，因此也有助于增強點陣夾芯結構的強度和抗沖擊性。

4.2 多組分點陣夾層結構

（1）熱壓成型預浸帶

基于三維空間可鋪設細長預浸帶的模具，通過熱壓固化形成金字塔形網格結構。

（2）波紋板或預浸料片切割

通過在波紋模具中熱壓單向CFRP預浸料制備成波紋復合板。然后用數控激光切割機將波紋板切割成不同類型的桁架芯材。

（3）絲網編織–單向拉擠支柱嵌入

采用三軸編織形成復合材料編織網，然后與交錯的單向拉擠支柱連接在一起形成3D 網格，編織網與支柱組件浸入樹脂中進行粘接。

（4）帶導向板的拉擠復合材料桿——UD拉擠插入

使用拉擠復合材料管作為支柱，預鉆孔層板作為插入導向板來制造金字塔形晶格芯。使用環氧膠膜將單個晶格芯構件粘合到層壓面上。

（5）層壓板卡扣配合

可實現復雜的點陣結構，這種方法的主要特征是通過從層壓板切割形成鋸齒狀互鎖結構來組裝點陣芯材。芯材與面板通過粘接進行連接。

卡扣式CFRP八邊形桁架結構

點陣結構切割和折斷過程

點陣結構制造及組裝示意圖：a）平板卡扣，b）波紋條互鎖，c）結構組裝

（6）膨脹波紋熱塑性片材

該方法首先使用波紋鋁模具通過熱壓成型形成波紋熱塑性板。其次，在板材上切割一系列間距一致的槽。再次，將波紋板加熱使其沿著與這些槽正交的方向上膨脹，以形成晶格結構。最后，將晶格芯粘接到面板上。需要注意的是，四個連接支柱之間的節點呈V形，不能為連接到面板蒙皮提供平坦的粘合表面。為了緩解這個問題，研究人員制造了三角形嵌件，并將其粘合到節點凹槽中。

4.3 模具設計

對于各類空間點陣結構，其復雜的幾何形狀使得相應的模具設計也異常復雜。一般來說，點陣夾層結構模具的復雜性與制作完整面板所需的操作次數成反比。固化后所需的工序越少，所需的模具復雜性就越大。在單部件方法中，由于蒙皮面板包圍網格模具，唯一可行的模具是可拆卸模具或利用消失模，另外也可以由留在面板內部的型芯嵌件(例如泡沫)形成模具。

支柱軋制工裝及固化工藝示意圖

使用可拆卸模具制造單組件分級桁架結構

帶有泡沫楔形模具的混合編織點陣結構

紗線與帶孔板的縫合及拉緊

使用激光切割機進行固化后修整

5. 其他復合材料點陣結構

除了上述幾種類型的點陣結構之外，還有一部分特殊的點陣結構，往往涉及能夠生產更通用的三維復合晶格的制造過程，這些點陣不限于特定的宏觀形式。其制造主要是通過基于長絲沉積模型（FDM）的3D打印機的改進來解決。或者通過螺栓連接、焊接方式組裝大型桁架結構。

連續纖維3D打印概念

數字變形機翼基本部件和組裝結構

6 小結

復合材料點陣結構具有很高的結構效率。然而，到目前為止，關鍵的制造挑戰仍然限制了它們在工業中的采用。與其他輕質材料相比，點陣結構可以在較低的相對密度下實現非常高的結構性能，因此在面板、艙壁、蒙皮結構等一系列應用中具有很大的潛力。

總的來說，復合材料點陣結構在制造更輕、更高效、更可持續的結構方面有著巨大的應用前景，但需要進一步開發基礎制造工藝，以確保它們既能實現這一前景，又具有經濟吸引力。最終，復合材料點陣結構使用幾何體來提高性能，以準確、經濟高效且可擴展的方式創建幾何體仍然是核心挑戰。鑒于目前正在進行的大量研究工作以及提出的各種新解決方案，未來五到十年可能是復合材料點陣結構發展的黃金時期。

原始文獻：

Christopher J. Hunt, Francescogiuseppe Morabito, Chris Grace, Yian Zhao, Benjamin K.S. Woods, A review of composite lattice structures,Composite Structures,Volume 284,2022,115120.

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