IsoTruss更長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展之路

美國(guó)化工協(xié)會(huì)（ACS）已經(jīng)開(kāi)始了束管技術(shù)的新應(yīng)用研究：用于建造手機(jī)或其他通訊工具的發(fā)射塔工程或測(cè)繪工程。問(wèn)題是，還需要用一個(gè)更有效的、成本更低廉的自動(dòng)纏繞加工工藝來(lái)減少原有的工藝中剩余40%的密集型勞動(dòng)。這不僅是這種技術(shù)和其他復(fù)合材料技術(shù)相比的一個(gè)弱勢(shì)，也是影響絕緣束管復(fù)材技術(shù)迅速發(fā)展和商業(yè)化的一個(gè)障礙。楊百翰大學(xué)和德?tīng)査?運(yùn)動(dòng)公司正在研究一個(gè)被楊森博士描述為“三維編織結(jié)構(gòu)”創(chuàng)新技術(shù)，能直接利用計(jì)算機(jī)模型連續(xù)生產(chǎn)復(fù)合材料三維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，而不必使用具體的幾何形狀軸心工具或是模具。如果這項(xiàng)技術(shù)被攻克，將節(jié)約大量的時(shí)間、減少勞動(dòng)量并且消除這部分加工成本。這樣，這種材料能在航天、海運(yùn)和能源市場(chǎng)上得到更廣闊的應(yīng)用。只要成本和價(jià)格能被控制，那么，這種堅(jiān)硬、高強(qiáng)度、輕質(zhì)的束管結(jié)構(gòu)將為復(fù)合材料找到新的發(fā)展之路。

BYU的ISOTRUSS技術(shù)作為高級(jí)復(fù)合材料的設(shè)計(jì)方案通過(guò)了美國(guó)化工協(xié)會(huì)（ACS）的認(rèn)可之后，生產(chǎn)商德?tīng)査?運(yùn)動(dòng)公司用這種絕緣束管結(jié)構(gòu)材料制作了自行車(chē)框架。2009年，這個(gè)公司開(kāi)始將不同尺寸的絕緣束管結(jié)構(gòu)應(yīng)用到Arantix山地車(chē)系列和Ascend公路自行車(chē)系列的生產(chǎn)中。用于公路的自行車(chē)框架重約1000克（2.2磅），而山地車(chē)在1247克（2.75磅）左右。相比之下，由TREK公司為著名的自行車(chē)運(yùn)動(dòng)員蘭斯阿姆斯壯參加環(huán)法自行車(chē)賽設(shè)計(jì)制作的、在比賽中取得第一名的碳纖復(fù)合材料實(shí)心管材自行車(chē)OCLV55，自行車(chē)框架重量約為907克（2磅），裝配完成后的重量分別在6350克（14磅）和9525克（21磅）。

德?tīng)査?運(yùn)動(dòng)公司的復(fù)合材料工程師伊迪派克非常認(rèn)同的是：在設(shè)計(jì)和制作一輛自行車(chē)的過(guò)程中最大的挑戰(zhàn)是“知道每個(gè)部件都受到些什么樣的外力并且知道如何將滿足不同受力要求的零部件正確裝配在一起?！北热缯f(shuō)，車(chē)上部的管材必須能夠有足夠的硬度以對(duì)抗沖擊力（以免彎曲變形），下部的管材必須在扭矩力作用下具有能保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)固性的強(qiáng)度。派克說(shuō)：“（行進(jìn)中）自行車(chē)踏板施加作用力于自行車(chē)框架，如果有越多的動(dòng)力通過(guò)鏈條作用于旋轉(zhuǎn)的車(chē)輪當(dāng)然越好。硬度不夠的框架結(jié)構(gòu)就會(huì)在這個(gè)過(guò)程中損失一部分能量，高強(qiáng)度的材料才能非常有效地傳導(dǎo)能量?！?

在歐洲標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)（CEN，位于比利時(shí)的布魯塞爾）設(shè)置的產(chǎn)品規(guī)范中，自行車(chē)的各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)是因框架結(jié)構(gòu)而異的。派克說(shuō)：“我們也從運(yùn)動(dòng)員給予的反饋中不斷補(bǔ)充經(jīng)驗(yàn)。一個(gè)自行車(chē)手可能會(huì)告訴我，這種自行車(chē)的后三角板或是其他的部位應(yīng)該再堅(jiān)固一些，我們會(huì)加強(qiáng)這些區(qū)域的穩(wěn)固性以滿足需求。這種車(chē)的抗震動(dòng)性能與其他碳纖自行車(chē)產(chǎn)品相似，但是許多專業(yè)運(yùn)動(dòng)員的反饋說(shuō)，我們的自行車(chē)不像其他自行車(chē)那樣“硬”（減緩了騎手受到的震動(dòng)），即使是經(jīng)過(guò)24小時(shí)的自行車(chē)賽（也沒(méi)有那么累）。”

知道這些外力間如何相互作用也是設(shè)計(jì)接線口的關(guān)鍵性因素。接線口是在結(jié)構(gòu)管交聯(lián)處圓孔狀的收束口，它的作用是加固纖維聯(lián)接點(diǎn)并將壓力分散到各個(gè)三角區(qū)域。德?tīng)査?公司設(shè)計(jì)并用壓縮模具制作自用的接線口來(lái)聯(lián)接框架結(jié)構(gòu)的配件，他們還制作不同尺寸的墊片和其他自行車(chē)零配件?，F(xiàn)在，在束管狀結(jié)構(gòu)和聯(lián)接部位使用接線口是一種時(shí)尚。德?tīng)査?公司的公路自行車(chē)框架有三個(gè)絕緣束管和5個(gè)接線口，而山地車(chē)上有7根絕緣束管和4個(gè)接線口。

這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是建立在楊百翰大學(xué)對(duì)雙應(yīng)力的分析研究成果上的。工程師派克介紹說(shuō)：“一個(gè)是由壓縮力、彎曲力，扭矩力和張力公式組成的電子表格。輸入我們所需要的抗外力強(qiáng)度，程序就會(huì)給出滿足這個(gè)部件強(qiáng)度要求的材料數(shù)量和絕緣束管結(jié)構(gòu)的厚度。另外一個(gè)是BYU設(shè)計(jì)出的有限元分析軟件（FEA），專門(mén)用于絕緣束管分析。用FEA軟件可以評(píng)估軸、扭力、彎曲力、剪切力、局部或整體的變形力的模型失誤。其中的可控制變量包括纖維種類(lèi)、樹(shù)脂體系、縱向或螺旋狀纖維結(jié)構(gòu)、束狀三角形的幾何形狀、螺旋直徑和框架構(gòu)件的長(zhǎng)度等參數(shù)?！?

開(kāi)放式的絕緣束管設(shè)計(jì)比實(shí)心管耗材少（這在計(jì)算成本時(shí)是一個(gè)重要的考量因素），但不僅于此，它還能提供更大的強(qiáng)度和硬度。派克聲稱：“這種立體幾何構(gòu)造展示了比其他任何材質(zhì)實(shí)心管更高的強(qiáng)度-重量比和硬度-質(zhì)量比?！钡?tīng)査?運(yùn)動(dòng)公司使用了12k的TCR單向預(yù)浸處理半固化材料（用TCR的環(huán)氧樹(shù)脂和T700航天級(jí)碳纖構(gòu)成），纖維結(jié)構(gòu)為抗張力和抗壓力較好的縱向結(jié)構(gòu)和螺旋混合結(jié)構(gòu)。螺旋狀結(jié)構(gòu)還可以針對(duì)不同的強(qiáng)度和重量要求進(jìn)行定制。據(jù)楊森博士介紹，通常，在對(duì)角（或螺旋）纖維束之間呈正負(fù)45度角時(shí)能達(dá)到抗扭矩最高的硬度和強(qiáng)度。

絕緣束管結(jié)構(gòu)還是一個(gè)靈活的概念：如果自行車(chē)受到極大的扭矩力或其他復(fù)雜的多平面負(fù)荷，我們可以打開(kāi)45度角，將角度打開(kāi)一些，通過(guò)增加螺旋狀結(jié)構(gòu)的直徑以抵抗各部位受到的彎曲力和扭矩力。如果遭遇的外力以壓力或張力為主，螺旋狀結(jié)構(gòu)可以用來(lái)穩(wěn)固縱向結(jié)構(gòu)。這樣，簡(jiǎn)單的正負(fù)45度角的調(diào)整就非常有效，不需要額外的支撐。

這種結(jié)構(gòu)是德?tīng)査?運(yùn)動(dòng)公司在自制的單絲繞線機(jī)中將螺旋方向纖維沿縱向纖維邊緣盤(pán)旋纏繞而成的。在這個(gè)過(guò)程中使用直徑為2.54～3.175毫米不等的特殊桿材作為軸心制作直徑為38～102毫米、長(zhǎng)度為152.4～508毫米的束狀管，因自行車(chē)的尺寸而異，每次只能生產(chǎn)一根。

在這個(gè)纏繞加工過(guò)程中，這種蛛網(wǎng)幾何形狀（尺寸）必須保持精確，直到固化完成。這就要求所使用工具的誤差在0.127毫米以內(nèi)（0.005英寸）?？v向纖維需要平直放置而螺旋纏繞的纖維在“最高點(diǎn)”之間必須是直的（“最高點(diǎn)”是金字塔形狀伸出束管的區(qū)域）。為了達(dá)到要求，每個(gè)最高點(diǎn)都要被放置在離心軸一定距離的準(zhǔn)確位置。于是每個(gè)心軸都被制成確保在各個(gè)節(jié)點(diǎn)（最高點(diǎn)的接觸界面）觸到（螺旋纏繞）纖維的造型。

使用可溶性的軸心工具可以在固化過(guò)程中用加大壓力的方法移除，但是這種工藝要求德?tīng)査?公司每次制作都鑄造一個(gè)新的軸心材料，因此成本高昂。為了節(jié)約時(shí)間和成本，他們開(kāi)發(fā)了一種獨(dú)有的可折疊軸心技術(shù)，將原本非常復(fù)雜的勞動(dòng)密集型纏繞技術(shù)簡(jiǎn)化了——用派克的話說(shuō)“節(jié)約了制造過(guò)程中約60%的勞動(dòng)”。這種新的方法是將纖維束在固化過(guò)程中聯(lián)在一起。這種纏繞型結(jié)構(gòu)在烘箱溫度達(dá)到127攝氏度時(shí)固化時(shí)間為2個(gè)小時(shí)。成型后的框架結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室機(jī)構(gòu)測(cè)試，它的物理特性達(dá)到了歐盟標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)在抗壓縮力、耐疲勞性、抗撞擊力、彎曲力和扭矩力的各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)。

德?tīng)査?運(yùn)動(dòng)公司不僅出售裝配好的自行車(chē)（客戶可以自由選擇框架以及其他的各種零配件），也出售單個(gè)的自行車(chē)框架給那些希望由自己裝配愛(ài)車(chē)的顧客。絕緣束管復(fù)合材料框架不需要太多的保養(yǎng)，還有著跟碳纖復(fù)材或其他高端自行車(chē)相當(dāng)?shù)氖褂脡勖Ｓ捎趶?fù)合材料對(duì)于外界損害和其他侵蝕不敏感，因此比金屬制自行車(chē)的壽命就更長(zhǎng)得多。事實(shí)上，德?tīng)査?運(yùn)動(dòng)公司為自行車(chē)框架產(chǎn)品提供終生的保修服務(wù)。此外，這種網(wǎng)格結(jié)構(gòu)據(jù)說(shuō)在自行車(chē)框架受到極大的沖擊或碰撞時(shí)能提供更好的結(jié)構(gòu)完整性，因?yàn)樗幌癯Ｒ?jiàn)的碳纖維實(shí)心管框架，單個(gè)部位受到的損傷絕緣于其他部位，避免了災(zāi)難性的整體框架破碎。

復(fù)合束管狀結(jié)構(gòu)材料是在本世紀(jì)初嶄露頭角的。美國(guó)猶他州的楊百翰大學(xué)（Brigham Young University ）研究開(kāi)發(fā)了這種材料、并為此注冊(cè)了“Isotrade”的商標(biāo)。這種“開(kāi)放式”束管結(jié)構(gòu)的構(gòu)思來(lái)自二維地磁等變線結(jié)構(gòu)——這是工程師們公認(rèn)的最有效的形狀：等腰三角形?，F(xiàn)在，他們把它進(jìn)一步發(fā)展到了三維結(jié)構(gòu)。

楊百翰大學(xué)（BYU）高級(jí)復(fù)合材料研究中心的戴維 楊森博士介紹說(shuō)：“我們把它命名為“等腰三角形結(jié)構(gòu)”，因?yàn)樗慕朴谕蛐蕴刭|(zhì)（如圖1）。楊森博士將這個(gè)概念定義為“IsoTruss”（絕緣束狀結(jié)構(gòu)），以便區(qū)分這種BYU研究設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)于許多其他傳統(tǒng)的地磁等變線結(jié)構(gòu)。絕緣束狀結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是重疊的等腰三角形組，這近似于傳統(tǒng)的磁等變結(jié)構(gòu)的（二維）三角形。關(guān)鍵在于設(shè)計(jì)了一個(gè)輻射狀的管束構(gòu)造，這樣，多個(gè)三角形重疊形成束狀的復(fù)合對(duì)稱輻射的金字塔群，也就是正交各向異性的結(jié)構(gòu)——由這個(gè)定義就可以知道它至少有兩個(gè)正交的對(duì)稱平面（直角交叉平面）。這種結(jié)構(gòu)的各個(gè)平面具有獨(dú)立的方向性，獨(dú)特的設(shè)計(jì)賦予了這種結(jié)構(gòu)比一般實(shí)心管材結(jié)構(gòu)更好的性能。

盡管任何纖維和樹(shù)脂的聚合體都可以用來(lái)制作這種絕緣束管結(jié)構(gòu)，這個(gè)構(gòu)思卻得到了運(yùn)動(dòng)自行車(chē)業(yè)更多的關(guān)注，尤其是碳纖維復(fù)合材料被這個(gè)行業(yè)公認(rèn)為高質(zhì)輕質(zhì)材料的時(shí)代。猶他州培森市的德?tīng)査?運(yùn)動(dòng)公司用這種絕緣束管——幾何構(gòu)造材料制作的碳纖維復(fù)合材料自行車(chē)框架馬上被看做是視覺(jué)效果上極吸引人的、超極實(shí)用的頂尖產(chǎn)品。