IsoTruss

IsoTruss結構，複合束管狀結構材料是在本世紀初嶄露頭角的。複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 ）研究開發了這種材料、並為此註冊了“Isotrade”的商標。

基本介紹

• 外文名：IsoTruss
• 註冊單位：美國猶他州楊百翰大學

IsoTruss結構的發展

複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 ）研究開發了這種材料、並為此註冊了“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。現在，他們把它進一步發展到了三維結構。

圖1 磁等變結構

楊百翰大學（BYU）高級複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”，因為它的近似於同向性特質（如圖1）。楊森博士將這個概念定義為“IsoTruss”（絕緣束狀結構），以便區分這種BYU研究設計的結構於許多其他傳統的地磁等變線結構。絕緣束狀結構的特點是重疊的等腰三角形組，這近似於傳統的磁等變結構的（二維）三角形。關鍵在於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複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。

儘管任何纖維和樹脂的聚合體都可以用來製作這種絕緣束管結構，這個構思卻得到了運動腳踏車業更多的關注，尤其是碳纖維複合材料被這個行業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——幾何構造材料製作的碳纖維複合材料腳踏車框架馬上被看做是視覺效果上極吸引人的、超極實用的頂尖產品。

IsoTruss結構的套用－－腳踏車

BYU的ISOTRUSS技術作為高級複合材料的設計方案通過了美國化工協會（ACS）的認可之後，生產商德爾塔7運動公司用這種絕緣束管結構材料製作了腳踏車框架。2009年，這個公司開始將不同尺寸的絕緣束管結構套用到Arantix山地車系列和Ascend公路腳踏車系列的生產中。用於公路的腳踏車框架重約1000克（2.2磅），而山地車在1247克（2.75磅）左右。相比之下，由TREK公司為著名的腳踏車運動員蘭斯阿姆斯壯參加環法腳踏車賽設計製作的、在比賽中取得第一名的碳纖複合材料實心管材腳踏車OCLV55，腳踏車框架重量約為907克（2磅），裝配完成後的重量分別在6350克（14磅）和9525克（21磅）。

德爾塔7運動公司的複合材料工程師伊迪派克非常認同的是：在設計和製作一輛腳踏車的過程中最大的挑戰是“知道每個部件都受到些什麼樣的外力並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。”比如說，車上部的管材必須能夠有足夠的硬度以對抗衝擊力（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固性的強度。派克說：“（行進中）腳踏車踏板施加作用力於腳踏車框架，如果有越多的動力通過鏈條作用於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，位於比利時的布魯塞爾）設定的產品規範中，腳踏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驗。一個腳踏車手可能會告訴我，這種腳踏車的後三角板或是其他的部位應該再堅固一些，我們會加強這些區域的穩固性以滿足需求。這種車的抗震動性能與其他碳纖腳踏車產品相似，但是許多專業運動員的反饋說，我們的腳踏車不像其他腳踏車那樣“硬”（減緩了騎手受到的震動），即使是經過24小時的腳踏車賽（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處圓孔狀的收束口，它的作用是加固纖維聯接點並將壓力分散到各個三角區域。德爾塔7公司設計並用壓縮模具製作自用的接線口來聯接框架結構的配件，他們還製作不同尺寸的墊片和其他腳踏車零配件。現在，在束管狀結構和聯接部位使用接線口是一種時尚。德爾塔7公司的公路腳踏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，程式就會給出滿足這個部件強度要求的材料數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體（FEA），專門用於絕緣束管分析。用FEA軟體可以評估軸、扭力、彎曲力、剪下力、局部或整體的變形力的模型失誤。其中的可控制變數包括纖維種類、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。”

開放式的絕緣束管

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），但不僅於此，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。”德爾塔7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製。據楊森博士介紹，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：如果腳踏車受到極大的扭矩力或其他複雜的多平面負荷，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運動公司在自製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製作直徑為38～102毫米、長度為152.4～508毫米的束狀管，因腳踏車的尺寸而異，每次只能生產一根。

在這個纏繞加工過程中，這種蛛網幾何形狀（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）。縱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。於是每個心軸都被製成確保在各個節點（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公司每次製作都鑄造一個新的軸心材料，因此成本高昂。為了節約時間和成本，他們開發了一種獨有的可摺疊軸心技術，將原本非常複雜的勞動密集型纏繞技術簡化了——用派克的話說“節約了製造過程中約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。成型後的框架結構經過實驗室機構測試，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。

IsoTruss結構的裝配

德爾塔7運動公司不僅出售裝配好的腳踏車（客戶可以自由選擇框架以及其他的各種零配件），也出售單個的腳踏車框架給那些希望由自己裝配愛車的顧客。絕緣束管複合材料框架不需要太多的保養，還有著跟碳纖復材或其他高端腳踏車相當的使用壽命。由於複合材料對於外界損害和其他侵蝕不敏感，因此比金屬制腳踏車的壽命就更長得多。事實上，德爾塔7運動公司為腳踏車框架產品提供終生的保修服務。此外，這種格線結構據說在腳踏車框架受到極大的衝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於其他部位，避免了災難性的整體框架破碎。

更長遠的發展之路

美國化工協會（ACS）已經開始了束管技術的新套用研究：用於建造手機或其他通訊工具的發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餘40%的密集型勞動。這不僅是這種技術和其他複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展和商業化的一個障礙。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”創新技術，能直接利用計算機模型連續生產複合材料三維格線結構，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，將節約大量的時間、減少勞動量並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套用。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複合材料找到新的發展之路。