实验用模拟舱舱体材料的选择与结构设计
作者：黄勇 金星国 王连贵 胡银燕 施晓毅
单位：航天医学工程研究所11分箱，北京 100094
关键词：玻璃钢；模拟舱；材料力学性能；环境检测；材料设计
航天医学与医学工程000112摘要：目的 选用玻璃钢复合材料作为舱体结构材料，实现单一金属材料所不能实现的特殊性能要求。方法 依据玻璃钢与几种常规金属材料的力学性能比较，选择符合技术要求的舱体结构材料。根据载荷条件和结构件形状，将复合材料内纤维设计成适当含量并合理铺设，进行结构与材料的最佳设计。结果 舱体结构达到了整体强度高、刚度大、重量轻、抗疲劳和减振等效果。材料有害气体环境检测符合医学卫生标准。结论 模拟舱采用玻璃钢复合材料的结构设计是成功的，是比较科学经济的设计方案，它降低了舱体重量，提高了整舱强度和刚度。
中图分类号：V.250.3 文献标识码：A
, http://www.100md.com
文章编号：1002-0837(2000)01-0048-04
Material Selection and Structural Design of Simulated Space Module For Field
HUANG Yong,JIN Xing-guo,WANG Lian-gui,HU Yin-yan,SHI Xiao-yi
(Institute of Space Medico-Engineering,Beijing 100094,China)
Abstract:Objective To select the suitable material for the structure of simulated space cabin to meet the special requirements which the unitary metallic material cannot do.Method The structural material was selected through comparison between the mechanical properties of fiber reinforced plastics(FRP) and a few conventional metallic materials.The content and arrangement of the fibers in the composite material were suitably designed according to load condition and structural shape of the cabin.Result High strength and high stiffness,light weight,anti-fatigue and shock proof were achieved for the whole module structure.It meets the medical and hygienic standard for hazardous gases.Conclusion The structural design of fiber glass reinforced plastics composite module was proved to be successful.It reduced the weight of the module body,and increased the strength and toughness of the whole module.
, 百拇医药
Key words:fiber glass reinforced plastics;simulated module;mechanical properties of materials;environmental determination;material design
试验模拟舱实际上是一个部分地模拟返回航天器空间环境和工作界面、可随意移动的模拟实验室，因此模拟舱舱体结构要求能够承受包括自重在内的静载荷(不大于2500 kg)和起吊、长途运输(3级路况不小于200 km)以及试验过程中的动载荷(不大于5500 kg)。该装置在沙漠、高原、寒区地区使用工作环境温度为：-40℃～+60℃。在设计时必须考虑舱体在满足使用强度、刚度前提下重量要轻，便于平整地面移动，整舱起吊、运输和装车[1]。舱本体材料可以选择铝合金、碳钢、不锈钢或玻璃钢。舱外形为组合旋转壳体，由球头、锥段(钟罩)和球形大底组成[2]。
舱体材料的选择
, 百拇医药
根据模拟舱的基本技术要求，我们选择玻璃钢(fiber reinforced plastics，纤维增强塑料，以下简称“FRP”)作为舱本体材料。这是因为FRP是一类新型材料—复合材料,具有材料与结构的统一性以及材料的可设计性特点[3]。FRP还具有不锈、耐腐蚀；重量轻、成本低、使用寿命长；复杂形状易于成型、维修方便等优点[4,5]。表1给出玻璃纤维/环氧与几种常规金属材料的力学性能的比较。作为力学性能比较，常常采用比强度(σb/γ)和比模量(E/γ)值(σb为拉伸强度，E为拉伸模量，γ为密度)，它们表示在重量相当情形下材料的承载能力和刚度，其值愈大，表示性能愈好[3]。显然，玻璃钢的密度较小，但比强度较高，符合我们的技术要求。
根据模拟舱的工作环境和使用条件，我们选择舱体结构材料为：FRP基体树脂及增强材料采用6101-E44型或618-E51型环氧树脂/无碱玻璃纤维方格布。舱体内表面采用符合国家卫生标准的无毒级聚酯树脂。FRP的密度在1.7～1.9 g/cm3之间。模拟舱产品加工完成后，经检测舱内材料有害气体毒性符合医学卫生标准。
, 百拇医药
表1 玻璃纤维/环氧与几种常规金属材料的力学性能的比较
Table 1 Comparison between mechanical properties of FRP and a few conventional metallic materials material
γ (g/cm3)
σb(10 MPa)
E(105 MPa)
σb/γ(10 MPa)
E/γ(105 MPa)
glass fiber/epoxy resin
, http://www.100md.com
1.80
13.7
0.45
7.61
0.25
aluminium_alloy
2.71
29.6
0.70
10.92
0.26
titanium_alloy
, http://www.100md.com 4.43
10.6
1.13
2.39
0.26
carbon steel
7.8
21.0
2.1
2.69
0.27
stainless steel
7.83
, 百拇医药
50.0
2.05
6.38
0.26
玻璃钢复合材料在军用和民用领域应用极广[6]。由于各种产品的用途、使用条件和受力状况不同，技术要求也就不同。因此，必须根据其用途和技术要求，通过FRP的结构设计、强度和刚度设计，克服FRP复合材料因各向异性所带来的产品刚度和强度小等因素，使FRP产品满足使用的强度和刚度要求。舱体材料的设计
玻璃钢主要由3种原料复合而成：⑴增强材料；⑵基体树脂；⑶各种助剂。其性能也取决于这3个方面的因素[4]。如：FRP的力学性能主要取决于起骨架作用的增强材料、起粘接作用的基体树脂的化学性质和结构、质量、含量等；FRP的物理性能和化学稳定性、层间剪切强度主要取决于基体树脂；纤维与树脂二者间界面粘接状态和FRP的固化度，主要取决于助剂和固化工艺。
, http://www.100md.com
玻璃钢是结构物，它是可以设计的。在制造玻璃钢制品前，不存在玻璃钢材料。玻璃钢制品的结构设计和材料设计是统一的，玻璃钢制品和玻璃钢材料是一体的。设计不同玻璃钢材料的性能也就不同，即玻璃钢材料的强度和刚度等性能(根据FRP制品的要求)是可以设计的。对于纤维增强的FRP复合材料[6]，复合的目的是获得最佳的强度、刚度、韧性等机械性能。复合不是组成材料的简单组合，而是一种包括物理、化学的、力学的、甚至生物学的相互作用的复杂结合过程，其增强的实质和设计方法概述如下：
FRP复合材料增强的机制[7]利用玻璃纤维的高强度以承受应力，利用基体树脂的塑性变形及其与纤维界面的良好粘接性以传递应力。另一方面，在材料受到较大的应力时，一些有裂纹的纤维可能断裂，但塑性和韧性好的基体能阻止裂纹扩展。柔性基体依靠切变作用使裂纹不沿垂直应力的方向发展而发生偏斜，导致断裂功有很大一部分用于反抗基体对纤维的粘接力，因此抗裂纹传播的能力大为提高。由于上述原因，增强纤维与粘接基体复合时，材料可获得很大的强化效果。
, http://www.100md.com
材料的强度和刚度设计 (1)采用增强框结构形式，即在舱体侧壁纬向加隔框、径向加桁条，球壳形大底加筋条的结构形式，提高模拟舱结构的整体强度、刚度和稳定性。(2)玻璃纤维为无碱玻璃纤维方格布。FRP中增强纤维必须有合理的含量、尺寸和分布，这是材料设计的关键所在。材料强度σb和弹性模量E随纤维体积含量Vf的变化如图1所示[6]。图1表明，纤维含量Vf在25%时强度最低；在70%左右时，弹性模量开始下降。所以纤维合适的含量Vf在40%～70%的范围内设计确定。
图1 材料强度和弹性模量与纤维体积含量的关系
Fig.1 Relation between material strength(MS),elastic modulus(EM) and fiber content
, 百拇医药
对于直径尺寸越小的纤维，则缺陷越少；而与基体接触表面积增大，有利于增加与基体的结合力，纤维增强的效果就越大。
对于纤维的分布，其铺设方式应符合于结构件的受力要求，尽量使纤维的排列平行于应力作用方向。方格布纤维是径向和纬向平面正交分布的，因而制品的强度也表现出平面正交的各向异性。在模拟舱舱体的上端部起吊、侧壁开孔、端面连接等关键受力部位，根据受力的强度方向采用：0°、45°、90°三种方向相互组合的方式进行铺设，以提高材料各个方向的强度和刚度，减弱FRP复合材料的各向异性问题，使材料各个方向的强度和刚度趋于相同，消除结构受力时变形在纤维的一个薄弱方向上扩展。
表2 环氧配比改变时力学性能的比较
Table 2 Comparison of mechanical properties with various epoxy contents indices
, 百拇医药
epoxy content 50%
epoxy content 38%
property changing
bending strengh(MPa)
169
242
increase
bending modulus(GPa)
11.8
17
increase
, 百拇医药
tensile strength(MPa)
229
339
increase
tensile modulus(GPa)
10.4
16.4
increase
compressive strength(MPa)
121
99.1
reducing
, http://www.100md.com
shear strength(MPa)
17.8
20.1
increase
shock strength(KJ/m2)
111
133
increase
(3)基体树脂为环氧树脂。环氧树脂的韧性、与金属材料粘接强度要比不饱和聚酯树脂好。环氧弹性模量大、强度高、刚度大，成形时间长，对温度、湿度要求严格。环氧的设计温度为80℃，能够满足舱体的工作温度。环氧的配比含量影响着材料的密度和力学性能。通过环氧配比不同的材料试件的力学性能比较，可以看出其对材料性能的影响作用(表2)。表2中的性能变化是指环氧配比从50%变化到38%时，相应力学性能的增大或减小。
, 百拇医药
(4)FRP制品的强度和刚度还决定于FRP的固化度。FRP的固化度取决于固化工艺。采取合适的固化剂和成型温度，能够增强FRP的固化效果，保持材料设计的复合结构，保证纤维的合理分布，从而保证玻璃钢的强度和刚度。模拟舱制品采用无毒环氧T31固化剂，固化温度采取低温和中温(30℃和60℃)，固化时间1～2wk，固化度达到70%。一般来讲，在低温固化时，固化的性能差，FRP制品固化的时间越长越好。
由此可以看出，FRP复合材料在各个方向上的力学性能决定于原材料的选取、配比和分布。FRP复合材料属各向异性体，在选定原材料和确定配比后，为了对选用材料的质量进行检测控制，对工艺方法进行评价和筛选，根据GB1446-83进行了玻璃钢基本力学性能试验[8]，表3和表4给出了FRP力学性能测试结果。模拟舱制品原材料环氧树脂配比38%、纤维含量62%。对于FRP拉伸试验，0°和90°试件得出的弹性模量有所差别，而拉伸强度差别大，表现出较明显的各向异性特点。根据模拟舱的使用情况，没有长期交变载荷的作用和温度的影响，因此不考虑FRP的冷热试验、材料的老化和疲劳。表3 FRP拉伸力学性能测试结果(MPa)
, 百拇医药
Table 3 Test results of tensile mechanical properties of FRP(MPa) fiber
orientation
tense
elastic modulus
tensile strength
poisson ratio
0°
13.67×103
199.6
0.074
, 百拇医药
90°
17.62×103
297.4
0.108
45°
3.08×103
40.4
0.588
材料有害气体环境检测
模拟舱属航天员训练用地面模拟设备，为保障航天员的健康，进行了舱内常规有害气体测试[9]。经测试舱内有害气体：苯、甲苯、CO、NH3等未超出气体环境医学卫生标准最高允许浓度。测试结果见表5。根据玻璃钢制品工艺和材料的特性，成形的玻璃钢制品在固化过程中要释放有机和无机气体(包括有害气体)，固化时间越长，释放的各种气体含量将越小并趋于微量释放，因此模拟舱的使用环境符合医学卫生标准(参见有关测试报告和医学卫生标准)。
, 百拇医药
表4 FRP压缩弯曲力学性能测试结果(MPa)
Table 4 Test results of compressive and bending mechanical properties of FRP(MPa) fiber orientation
compressive
bending
elastic modulus
compressive strength
elastic modulus
bending strength
0°
, 百拇医药
20.23×103
116.4
14.4×103
26.5
90°
18.84×103
106.1
14.46×103
38.0
表5 舱内有害气体测试结果(mg/m3)
Table 5 Determination results of intra-module hazardous gases(mg/m3) index
, 百拇医药
acetone
benzene
toluene
CO
ammonia
sulphur
standard value
240
5
50
25
10
1.0
, 百拇医药
test value
26.02
0.031
0.082
6.96
1.42
1.41
difference value
falling 89.2%
falling 99.4%
falling 99.8%
falling 72.2%
, http://www.100md.com
falling 85.8%
increase 41%
结 论
综上所述，实验用模拟舱舱体结构材料采用玻璃钢复合材料，能够克服和改善组成材料的弱点，充分发挥材料的优点。在结构设计上，采用了增强框结构形式，保证了整舱结构的整体强度、刚度和稳定性。根据模拟舱使用的强度和刚度要求，进行材料的强度和刚度设计。玻璃纤维的分布对制品的机械性能影响很大，玻璃纤维铺设的方向性，决定了制品强度的方向性。在受力较复杂的情况下，根据载荷条件和结构件形状，将复合材料内纤维设计成适当含量并合理铺设，进行结构与材料的最佳设计，减弱玻璃钢复合材料的各向异性问题，实现了单一金属材料所不能实现的特殊性能要求。经模拟舱整舱结构有限元分析和公路运输力学环境试验证明：舱体结构达到了整体强度高、刚度大、重量轻、抗疲劳和减振1等效果。这为该类地面设备的选材与设计提供了成功的借鉴。
, 百拇医药
[参考文献]
[1]Klimuk PI,Kryuchkov VI.Concept of creation and application of simulator facilities for the cosmonant training center(CTC)[J].Space Medicine & Medical Engineering,1995,8(3):157～162
波.伊.克里林科，维.伊.克留契诃夫.航天员训练中心模拟设备的制作和应用[J].航天医学与医学工程，1995,8(3):157～162
[2]张育林,郑荣跃,沈力平等.载人航天工程基础[M].长沙：国防科技大学出版社，1997:9～12,294～300
, 百拇医药
[3]沈观林.复合材料力学[M].北京：清华大学出版社，1996:1～28
[4]字恩奇.对提高当前玻璃钢产品质量若干问题的探讨[C].见：张贵学,雷国栋,胡幼奕等编.第十一届玻璃钢/复合材料学术年会论文集.北京：中国硅酸盐学会玻璃钢学会，1995:332～333
[5][日]田中 勤著,申从祥编译.玻璃钢(FRP)成型工艺技术及引用[M].北京：中国环境科学出版社，1996:65～66
[6]郑明新.工程材料[M]:第二版.北京：清华大学出版社，1991:9～11,267～273
[7]HU Xiaobin,MA Yulu,WANG Zhengdon et al.Strength analysis of RTM continuous GF reinforced composites[J].Fiber Reinforced Plastics/Composites,1997,2:3～4
胡晓斌,马玉录,王正东等.RTM连续长纤维毡增强复合材料的强度分析[J].玻璃钢/复合材料,1997,2:3～4
[8]乔生儒.复合材料细观力学性能[M].西安：西北工业大学出版社，1997:170～181
收稿日期：1999-03-18, 百拇医药
单位：航天医学工程研究所11分箱，北京 100094
关键词：玻璃钢；模拟舱；材料力学性能；环境检测；材料设计
航天医学与医学工程000112摘要：目的 选用玻璃钢复合材料作为舱体结构材料，实现单一金属材料所不能实现的特殊性能要求。方法 依据玻璃钢与几种常规金属材料的力学性能比较，选择符合技术要求的舱体结构材料。根据载荷条件和结构件形状，将复合材料内纤维设计成适当含量并合理铺设，进行结构与材料的最佳设计。结果 舱体结构达到了整体强度高、刚度大、重量轻、抗疲劳和减振等效果。材料有害气体环境检测符合医学卫生标准。结论 模拟舱采用玻璃钢复合材料的结构设计是成功的，是比较科学经济的设计方案，它降低了舱体重量，提高了整舱强度和刚度。
中图分类号：V.250.3 文献标识码：A
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文章编号：1002-0837(2000)01-0048-04
Material Selection and Structural Design of Simulated Space Module For Field
HUANG Yong,JIN Xing-guo,WANG Lian-gui,HU Yin-yan,SHI Xiao-yi
(Institute of Space Medico-Engineering,Beijing 100094,China)
Abstract:Objective To select the suitable material for the structure of simulated space cabin to meet the special requirements which the unitary metallic material cannot do.Method The structural material was selected through comparison between the mechanical properties of fiber reinforced plastics(FRP) and a few conventional metallic materials.The content and arrangement of the fibers in the composite material were suitably designed according to load condition and structural shape of the cabin.Result High strength and high stiffness,light weight,anti-fatigue and shock proof were achieved for the whole module structure.It meets the medical and hygienic standard for hazardous gases.Conclusion The structural design of fiber glass reinforced plastics composite module was proved to be successful.It reduced the weight of the module body,and increased the strength and toughness of the whole module.
, 百拇医药
Key words:fiber glass reinforced plastics;simulated module;mechanical properties of materials;environmental determination;material design
试验模拟舱实际上是一个部分地模拟返回航天器空间环境和工作界面、可随意移动的模拟实验室，因此模拟舱舱体结构要求能够承受包括自重在内的静载荷(不大于2500 kg)和起吊、长途运输(3级路况不小于200 km)以及试验过程中的动载荷(不大于5500 kg)。该装置在沙漠、高原、寒区地区使用工作环境温度为：-40℃～+60℃。在设计时必须考虑舱体在满足使用强度、刚度前提下重量要轻，便于平整地面移动，整舱起吊、运输和装车[1]。舱本体材料可以选择铝合金、碳钢、不锈钢或玻璃钢。舱外形为组合旋转壳体，由球头、锥段(钟罩)和球形大底组成[2]。
舱体材料的选择
, 百拇医药
根据模拟舱的基本技术要求，我们选择玻璃钢(fiber reinforced plastics，纤维增强塑料，以下简称“FRP”)作为舱本体材料。这是因为FRP是一类新型材料—复合材料,具有材料与结构的统一性以及材料的可设计性特点[3]。FRP还具有不锈、耐腐蚀；重量轻、成本低、使用寿命长；复杂形状易于成型、维修方便等优点[4,5]。表1给出玻璃纤维/环氧与几种常规金属材料的力学性能的比较。作为力学性能比较，常常采用比强度(σb/γ)和比模量(E/γ)值(σb为拉伸强度，E为拉伸模量，γ为密度)，它们表示在重量相当情形下材料的承载能力和刚度，其值愈大，表示性能愈好[3]。显然，玻璃钢的密度较小，但比强度较高，符合我们的技术要求。
根据模拟舱的工作环境和使用条件，我们选择舱体结构材料为：FRP基体树脂及增强材料采用6101-E44型或618-E51型环氧树脂/无碱玻璃纤维方格布。舱体内表面采用符合国家卫生标准的无毒级聚酯树脂。FRP的密度在1.7～1.9 g/cm3之间。模拟舱产品加工完成后，经检测舱内材料有害气体毒性符合医学卫生标准。
, 百拇医药
表1 玻璃纤维/环氧与几种常规金属材料的力学性能的比较
Table 1 Comparison between mechanical properties of FRP and a few conventional metallic materials material
γ (g/cm3)
σb(10 MPa)
E(105 MPa)
σb/γ(10 MPa)
E/γ(105 MPa)
glass fiber/epoxy resin
, http://www.100md.com
1.80
13.7
0.45
7.61
0.25
aluminium_alloy
2.71
29.6
0.70
10.92
0.26
titanium_alloy
, http://www.100md.com 4.43
10.6
1.13
2.39
0.26
carbon steel
7.8
21.0
2.1
2.69
0.27
stainless steel
7.83
, 百拇医药
50.0
2.05
6.38
0.26
玻璃钢复合材料在军用和民用领域应用极广[6]。由于各种产品的用途、使用条件和受力状况不同，技术要求也就不同。因此，必须根据其用途和技术要求，通过FRP的结构设计、强度和刚度设计，克服FRP复合材料因各向异性所带来的产品刚度和强度小等因素，使FRP产品满足使用的强度和刚度要求。舱体材料的设计
玻璃钢主要由3种原料复合而成：⑴增强材料；⑵基体树脂；⑶各种助剂。其性能也取决于这3个方面的因素[4]。如：FRP的力学性能主要取决于起骨架作用的增强材料、起粘接作用的基体树脂的化学性质和结构、质量、含量等；FRP的物理性能和化学稳定性、层间剪切强度主要取决于基体树脂；纤维与树脂二者间界面粘接状态和FRP的固化度，主要取决于助剂和固化工艺。
, http://www.100md.com
玻璃钢是结构物，它是可以设计的。在制造玻璃钢制品前，不存在玻璃钢材料。玻璃钢制品的结构设计和材料设计是统一的，玻璃钢制品和玻璃钢材料是一体的。设计不同玻璃钢材料的性能也就不同，即玻璃钢材料的强度和刚度等性能(根据FRP制品的要求)是可以设计的。对于纤维增强的FRP复合材料[6]，复合的目的是获得最佳的强度、刚度、韧性等机械性能。复合不是组成材料的简单组合，而是一种包括物理、化学的、力学的、甚至生物学的相互作用的复杂结合过程，其增强的实质和设计方法概述如下：
FRP复合材料增强的机制[7]利用玻璃纤维的高强度以承受应力，利用基体树脂的塑性变形及其与纤维界面的良好粘接性以传递应力。另一方面，在材料受到较大的应力时，一些有裂纹的纤维可能断裂，但塑性和韧性好的基体能阻止裂纹扩展。柔性基体依靠切变作用使裂纹不沿垂直应力的方向发展而发生偏斜，导致断裂功有很大一部分用于反抗基体对纤维的粘接力，因此抗裂纹传播的能力大为提高。由于上述原因，增强纤维与粘接基体复合时，材料可获得很大的强化效果。
, http://www.100md.com
材料的强度和刚度设计 (1)采用增强框结构形式，即在舱体侧壁纬向加隔框、径向加桁条，球壳形大底加筋条的结构形式，提高模拟舱结构的整体强度、刚度和稳定性。(2)玻璃纤维为无碱玻璃纤维方格布。FRP中增强纤维必须有合理的含量、尺寸和分布，这是材料设计的关键所在。材料强度σb和弹性模量E随纤维体积含量Vf的变化如图1所示[6]。图1表明，纤维含量Vf在25%时强度最低；在70%左右时，弹性模量开始下降。所以纤维合适的含量Vf在40%～70%的范围内设计确定。
图1 材料强度和弹性模量与纤维体积含量的关系
Fig.1 Relation between material strength(MS),elastic modulus(EM) and fiber content
, 百拇医药
对于直径尺寸越小的纤维，则缺陷越少；而与基体接触表面积增大，有利于增加与基体的结合力，纤维增强的效果就越大。
对于纤维的分布，其铺设方式应符合于结构件的受力要求，尽量使纤维的排列平行于应力作用方向。方格布纤维是径向和纬向平面正交分布的，因而制品的强度也表现出平面正交的各向异性。在模拟舱舱体的上端部起吊、侧壁开孔、端面连接等关键受力部位，根据受力的强度方向采用：0°、45°、90°三种方向相互组合的方式进行铺设，以提高材料各个方向的强度和刚度，减弱FRP复合材料的各向异性问题，使材料各个方向的强度和刚度趋于相同，消除结构受力时变形在纤维的一个薄弱方向上扩展。
表2 环氧配比改变时力学性能的比较
Table 2 Comparison of mechanical properties with various epoxy contents indices
, 百拇医药
epoxy content 50%
epoxy content 38%
property changing
bending strengh(MPa)
169
242
increase
bending modulus(GPa)
11.8
17
increase
, 百拇医药
tensile strength(MPa)
229
339
increase
tensile modulus(GPa)
10.4
16.4
increase
compressive strength(MPa)
121
99.1
reducing
, http://www.100md.com
shear strength(MPa)
17.8
20.1
increase
shock strength(KJ/m2)
111
133
increase
(3)基体树脂为环氧树脂。环氧树脂的韧性、与金属材料粘接强度要比不饱和聚酯树脂好。环氧弹性模量大、强度高、刚度大，成形时间长，对温度、湿度要求严格。环氧的设计温度为80℃，能够满足舱体的工作温度。环氧的配比含量影响着材料的密度和力学性能。通过环氧配比不同的材料试件的力学性能比较，可以看出其对材料性能的影响作用(表2)。表2中的性能变化是指环氧配比从50%变化到38%时，相应力学性能的增大或减小。
, 百拇医药
(4)FRP制品的强度和刚度还决定于FRP的固化度。FRP的固化度取决于固化工艺。采取合适的固化剂和成型温度，能够增强FRP的固化效果，保持材料设计的复合结构，保证纤维的合理分布，从而保证玻璃钢的强度和刚度。模拟舱制品采用无毒环氧T31固化剂，固化温度采取低温和中温(30℃和60℃)，固化时间1～2wk，固化度达到70%。一般来讲，在低温固化时，固化的性能差，FRP制品固化的时间越长越好。
由此可以看出，FRP复合材料在各个方向上的力学性能决定于原材料的选取、配比和分布。FRP复合材料属各向异性体，在选定原材料和确定配比后，为了对选用材料的质量进行检测控制，对工艺方法进行评价和筛选，根据GB1446-83进行了玻璃钢基本力学性能试验[8]，表3和表4给出了FRP力学性能测试结果。模拟舱制品原材料环氧树脂配比38%、纤维含量62%。对于FRP拉伸试验，0°和90°试件得出的弹性模量有所差别，而拉伸强度差别大，表现出较明显的各向异性特点。根据模拟舱的使用情况，没有长期交变载荷的作用和温度的影响，因此不考虑FRP的冷热试验、材料的老化和疲劳。表3 FRP拉伸力学性能测试结果(MPa)
, 百拇医药
Table 3 Test results of tensile mechanical properties of FRP(MPa) fiber
orientation
tense
elastic modulus
tensile strength
poisson ratio
0°
13.67×103
199.6
0.074
, 百拇医药
90°
17.62×103
297.4
0.108
45°
3.08×103
40.4
0.588
材料有害气体环境检测
模拟舱属航天员训练用地面模拟设备，为保障航天员的健康，进行了舱内常规有害气体测试[9]。经测试舱内有害气体：苯、甲苯、CO、NH3等未超出气体环境医学卫生标准最高允许浓度。测试结果见表5。根据玻璃钢制品工艺和材料的特性，成形的玻璃钢制品在固化过程中要释放有机和无机气体(包括有害气体)，固化时间越长，释放的各种气体含量将越小并趋于微量释放，因此模拟舱的使用环境符合医学卫生标准(参见有关测试报告和医学卫生标准)。
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表4 FRP压缩弯曲力学性能测试结果(MPa)
Table 4 Test results of compressive and bending mechanical properties of FRP(MPa) fiber orientation
compressive
bending
elastic modulus
compressive strength
elastic modulus
bending strength
0°
, 百拇医药
20.23×103
116.4
14.4×103
26.5
90°
18.84×103
106.1
14.46×103
38.0
表5 舱内有害气体测试结果(mg/m3)
Table 5 Determination results of intra-module hazardous gases(mg/m3) index
, 百拇医药
acetone
benzene
toluene
CO
ammonia
sulphur
standard value
240
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结 论
综上所述，实验用模拟舱舱体结构材料采用玻璃钢复合材料，能够克服和改善组成材料的弱点，充分发挥材料的优点。在结构设计上，采用了增强框结构形式，保证了整舱结构的整体强度、刚度和稳定性。根据模拟舱使用的强度和刚度要求，进行材料的强度和刚度设计。玻璃纤维的分布对制品的机械性能影响很大，玻璃纤维铺设的方向性，决定了制品强度的方向性。在受力较复杂的情况下，根据载荷条件和结构件形状，将复合材料内纤维设计成适当含量并合理铺设，进行结构与材料的最佳设计，减弱玻璃钢复合材料的各向异性问题，实现了单一金属材料所不能实现的特殊性能要求。经模拟舱整舱结构有限元分析和公路运输力学环境试验证明：舱体结构达到了整体强度高、刚度大、重量轻、抗疲劳和减振1等效果。这为该类地面设备的选材与设计提供了成功的借鉴。
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收稿日期：1999-03-18, 百拇医药