现有的阻拦索採用的是多层钢丝绞合结构,油压缓衝系统將动能转化为液压油的热能,再通过冷却系统带走。问题不在液压系统,而在钢索本身经过几十次高强度拉伸之后,钢丝內部的微裂纹会逐渐累积,最终在某个受力点发生疲劳断裂。
单纯把钢索换成碳纤维绳束,能不能解决问题?赵阳拿笔在纸上快速画了几根应力-应变曲线的草图。
碳纤维的拉伸强度的確远高於钢丝,但碳纤维有一个致命弱点它的韧性不如钢。
钢索在受力时会先发生塑性变形,有屈服阶段,而碳纤维几乎没有屈服阶段,一旦应力超过极限,直接脆性断裂。用在阻拦索这种瞬时衝击载荷极大的场合,纯碳纤维绳束反而可能不如传统钢索可靠。
他开始尝试在脑子里做组合运算。如果把碳纤维和钢索编织在一起呢?
钢丝提供韧性和屈服缓衝,碳纤维提供强度和轻量化两种材料的应力-应变曲线如果能互补,理论上可以达到单种材料无法企及的综合性能。
但编织方式是个很讲究的问题。如果只是简单地把碳纤维束和钢丝绞在一起,那估计是不行的。
因为受力时碳纤维会由於弹性模量高於钢丝而“抢走”大部分载荷,导致碳纤维先断,钢丝隨后也被拉断。
必须设计一种特殊的缠绕结构,让两种材料在受力时能够协调变形,共同分担载荷。
他在纸上画了整整一晚上。几种缠绕方案被画出来又划掉,力学模型的计算公式写满了七八张稿纸。小新被关掉了联网功能,只能在本地帮他跑数值模擬。
凌晨两点多的时候,最后一组模擬数据出来採用三层交替编织结构,以钢丝为芯轴,碳纤维束以特定角度缠绕在外层,再用一层细钢丝反向缠绕锁紧,这样的复合绳束在模擬衝击载荷下的能量吸收曲线相当理想。
第二天一早,赵阳就带著计算结果坐车去了龙科院。
龙科院的大楼位於中关村核心区,外墙掛著一排不同研究所的铭牌。
赵阳走进去的时候,大厅里正有几个年轻的研究员端著咖啡杯在聊天,看到他的瞬间,那几个人同时安静了下来,目光在他身上停留了好一阵。
最近赵阳身上的爭议太多了,微博上那篇“双向封锁大家都狭隘”的硬核回应,不仅在网上吵得热火朝天。
学术界也掀起了一番不小的討论,龙科院里的人自然也都在关注。那些目光里有好奇的,有敬佩的,也有带著几分审视的。
各种目光,不一而足。
赵阳面不改色地从他们中间穿过去,径直上了电梯。
钱副院长的办公室在六楼。赵阳推门进去的时候。
办公室里还坐著另外几位材料学方向的专家,钱副院长一一介绍,做复合材料结构设计的周教授,做金属疲劳分析的马研究员,还有一位从海军装备部过来的工程师。
赵阳把带过来的计算结果摊在桌上,开始讲解自己的方案。
从碳纤维和钢丝的弹性模量差异讲到三层交替编织结构的协同受力机制,从衝击载荷下的能量分配路径讲到最外层反向缠绕对疲劳裂纹扩展的抑制效果。讲完之后他靠回椅背上,看著在座的几位专家。
最先发问的是周教授。这位老教授,用手指指著赵阳图纸上的一处缠绕角度標註,表情严肃的看著赵阳问道。
“你这个角度是多少度?从理论上说,应该大於某个角度才能让碳纤维在拉伸阶段分担载荷,否则它会在钢丝屈服之前就被拉脱。你选这个角度,是不是为了让碳纤维的保护层在极限工况下先一步被拉脱,从而保护了核心钢索?但这个难度不低吧?”