IsoTrussIsoTruss結構的發(fā)展

復合束管狀結構材料是在本世紀初嶄露頭角的。美國猶他州的楊百翰大學（Brigham Young University ）研究開發(fā)了這種材料、并為此注冊了“Isotrade”的商標。這種“開放式”束管結構的構思來自二維地磁等變線結構——這是工程師們公認的最有效的形狀：等腰三角形。現(xiàn)在，他們把它進一步發(fā)展到了三維結構。

楊百翰大學（BYU）高級復合材料研究中心的戴維 楊森博士介紹說：“我們把它命名為“等腰三角形結構”，因為它的近似于同向性特質（如圖1）。楊森博士將這個概念定義為“IsoTruss”（絕緣束狀結構），以便區(qū)分這種BYU研究設計的結構于許多其他傳統(tǒng)的地磁等變線結構。絕緣束狀結構的特點是重疊的等腰三角形組，這近似于傳統(tǒng)的磁等變結構的（二維）三角形。關鍵在于設計了一個輻射狀的管束構造，這樣，多個三角形重疊形成束狀的復合對稱輻射的金字塔群，也就是正交各向異性的結構——由這個定義就可以知道它至少有兩個正交的對稱平面（直角交叉平面）。這種結構的各個平面具有獨立的方向性，獨特的設計賦予了這種結構比一般實心管材結構更好的性能。

盡管任何纖維和樹脂的聚合體都可以用來制作這種絕緣束管結構，這個構思卻得到了運動自行車業(yè)更多的關注，尤其是碳纖維復合材料被這個行業(yè)公認為高質輕質材料的時代。猶他州培森市的德爾塔7運動公司用這種絕緣束管——幾何構造材料制作的碳纖維復合材料自行車框架馬上被看做是視覺效果上極吸引人的、超極實用的頂尖產(chǎn)品。

BYU的ISOTRUSS技術作為高級復合材料的設計方案通過了美國化工協(xié)會（ACS）的認可之后，生產(chǎn)商德爾塔7運動公司用這種絕緣束管結構材料制作了自行車框架。2009年，這個公司開始將不同尺寸的絕緣束管結構應用到Arantix山地車系列和Ascend公路自行車系列的生產(chǎn)中。用于公路的自行車框架重約1000克（2.2磅），而山地車在1247克（2.75磅）左右。相比之下，由TREK公司為著名的自行車運動員蘭斯阿姆斯壯參加環(huán)法自行車賽設計制作的、在比賽中取得第一名的碳纖復合材料實心管材自行車OCLV55，自行車框架重量約為907克（2磅），裝配完成后的重量分別在6350克（14磅）和9525克（21磅）。

德爾塔7運動公司的復合材料工程師伊迪派克非常認同的是：在設計和制作一輛自行車的過程中最大的挑戰(zhàn)是“知道每個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，車上部的管材必須能夠有足夠的硬度以對抗沖擊力（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構穩(wěn)固性的強度。派克說：“（行進中）自行車踏板施加作用力于自行車框架，如果有越多的動力通過鏈條作用于旋轉的車輪當然越好。硬度不夠的框架結構就會在這個過程中損失一部分能量，高強度的材料才能非常有效地傳導能量?！?

在歐洲標準化委員會（CEN，位于比利時的布魯塞爾）設置的產(chǎn)品規(guī)范中，自行車的各項標準是因框架結構而異的。派克說：“我們也從運動員給予的反饋中不斷補充經(jīng)驗。一個自行車手可能會告訴我，這種自行車的后三角板或是其他的部位應該再堅固一些，我們會加強這些區(qū)域的穩(wěn)固性以滿足需求。這種車的抗震動性能與其他碳纖自行車產(chǎn)品相似，但是許多專業(yè)運動員的反饋說，我們的自行車不像其他自行車那樣“硬”（減緩了騎手受到的震動），即使是經(jīng)過24小時的自行車賽（也沒有那么累）?！?

知道這些外力間如何相互作用也是設計接線口的關鍵性因素。接線口是在結構管交聯(lián)處圓孔狀的收束口，它的作用是加固纖維聯(lián)接點并將壓力分散到各個三角區(qū)域。德爾塔7公司設計并用壓縮模具制作自用的接線口來聯(lián)接框架結構的配件，他們還制作不同尺寸的墊片和其他自行車零配件。現(xiàn)在，在束管狀結構和聯(lián)接部位使用接線口是一種時尚。德爾塔7公司的公路自行車框架有三個絕緣束管和5個接線口，而山地車上有7根絕緣束管和4個接線口。

這種結構設計是建立在楊百翰大學對雙應力的分析研究成果上的。工程師派克介紹說：“一個是由壓縮力、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度，程序就會給出滿足這個部件強度要求的材料數(shù)量和絕緣束管結構的厚度。另外一個是BYU設計出的有限元分析軟件（FEA），專門用于絕緣束管分析。用FEA軟件可以評估軸、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、樹脂體系、縱向或螺旋狀纖維結構、束狀三角形的幾何形狀、螺旋直徑和框架構件的長度等參數(shù)?！?

開放式的絕緣束管設計比實心管耗材少（這在計算成本時是一個重要的考量因素），但不僅于此，它還能提供更大的強度和硬度。派克聲稱：“這種立體幾何構造展示了比其他任何材質實心管更高的強度-重量比和硬度-質量比?！钡聽査?運動公司使用了12k的TCR單向預浸處理半固化材料（用TCR的環(huán)氧樹脂和T700航天級碳纖構成），纖維結構為抗張力和抗壓力較好的縱向結構和螺旋混合結構。螺旋狀結構還可以針對不同的強度和重量要求進行定制。據(jù)楊森博士介紹，通常，在對角（或螺旋）纖維束之間呈正負45度角時能達到抗扭矩最高的硬度和強度。

絕緣束管結構還是一個靈活的概念：如果自行車受到極大的扭矩力或其他復雜的多平面負荷，我們可以打開45度角，將角度打開一些，通過增加螺旋狀結構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，螺旋狀結構可以用來穩(wěn)固縱向結構。這樣，簡單的正負45度角的調整就非常有效，不需要額外的支撐。

這種結構是德爾塔7運動公司在自制的單絲繞線機中將螺旋方向纖維沿縱向纖維邊緣盤旋纏繞而成的。在這個過程中使用直徑為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、長度為152.4～508毫米的束狀管，因自行車的尺寸而異，每次只能生產(chǎn)一根。

在這個纏繞加工過程中，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（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”之間必須是直的（“最高點”是金字塔形狀伸出束管的區(qū)域）。為了達到要求，每個最高點都要被放置在離心軸一定距離的準確位置。于是每個心軸都被制成確保在各個節(jié)點（最高點的接觸界面）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程中用加大壓力的方法移除，但是這種工藝要求德爾塔7公司每次制作都鑄造一個新的軸心材料，因此成本高昂。為了節(jié)約時間和成本，他們開發(fā)了一種獨有的可折疊軸心技術，將原本非常復雜的勞動密集型纏繞技術簡化了——用派克的話說“節(jié)約了制造過程中約60%的勞動”。這種新的方法是將纖維束在固化過程中聯(lián)在一起。這種纏繞型結構在烘箱溫度達到127攝氏度時固化時間為2個小時。成型后的框架結構經(jīng)過實驗室機構測試，它的物理特性達到了歐盟標準委員會在抗壓縮力、耐疲勞性、抗撞擊力、彎曲力和扭矩力的各項標準。

德爾塔7運動公司不僅出售裝配好的自行車（客戶可以自由選擇框架以及其他的各種零配件），也出售單個的自行車框架給那些希望由自己裝配愛車的顧客。絕緣束管復合材料框架不需要太多的保養(yǎng)，還有著跟碳纖復材或其他高端自行車相當?shù)氖褂脡勖?。由于復合材料對于外界損害和其他侵蝕不敏感，因此比金屬制自行車的壽命就更長得多。事實上，德爾塔7運動公司為自行車框架產(chǎn)品提供終生的保修服務。此外，這種網(wǎng)格結構據(jù)說在自行車框架受到極大的沖擊或碰撞時能提供更好的結構完整性，因為它不像常見的碳纖維實心管框架，單個部位受到的損傷絕緣于其他部位，避免了災難性的整體框架破碎。

美國化工協(xié)會（ACS）已經(jīng)開始了束管技術的新應用研究：用于建造手機或其他通訊工具的發(fā)射塔工程或測繪工程。問題是，還需要用一個更有效的、成本更低廉的自動纏繞加工工藝來減少原有的工藝中剩余40%的密集型勞動。這不僅是這種技術和其他復合材料技術相比的一個弱勢，也是影響絕緣束管復材技術迅速發(fā)展和商業(yè)化的一個障礙。楊百翰大學和德爾塔7運動公司正在研究一個被楊森博士描述為“三維編織結構”創(chuàng)新技術，能直接利用計算機模型連續(xù)生產(chǎn)復合材料三維網(wǎng)格結構，而不必使用具體的幾何形狀軸心工具或是模具。如果這項技術被攻克，將節(jié)約大量的時間、減少勞動量并且消除這部分加工成本。這樣，這種材料能在航天、海運和能源市場上得到更廣闊的應用。只要成本和價格能被控制，那么，這種堅硬、高強度、輕質的束管結構將為復合材料找到新的發(fā)展之路。