卫星对质量十分敏感。据资料显示，每减少1kg质量，可以减少推进燃料150kg，因此对卫星结构减重具有十分重要的经济价值。卫星上有很多杆件结构，如天线支架的伸缩杆件，仪器仪表的支撑结构等。杆件结构的受力特点是绝大多数杆件为二力杆件，即为受拉或者受压杆件。为了减轻质量，这类杆件已经采用了轻质和高强高模的碳纤维复合材料（CFRP）。虽然CFRP的制造方法并不难，但是复合材料的核心技术难点是如何设计。

　　目前我国对复合材料计算方法主要以传统有限元计算宏观力学强度为主，将复合材料近似以各向同性材料进行计算，而没有考虑到复合材料的非线性特性。目前国外逐步发展复合材料基于微观力学失效分析的强度理论，充分考虑了材料的各向异性和非线性，比较真实反映复合材料的失效过程。以下基于微观力学失效分析对卫星杆件进行优化设计，以进一步减轻杆件质量，最后对杆件进行拉伸和压缩试验加以验证。

　　首先以一个实际使用中的卫星杆件载荷为例，该杆件直径50mm，长度1000mm，两端受拉力1×10^(-5)MN/m，铺层方式为（0°/45°/-45°/90°），壁厚为2.8mm，材料为T300碳纤维复合材料。用仿真软件对该CFRP杆件进行计算，首先按照原铺设方法（0°/45°/-45°/90°），进行计算，计算该结构的每一层的R值。由于该结构是非对称铺设层合板，采用7组（0°/45°/-45°/90°），重复铺设，一共是28层。计算结果显示最小R值为1.53，有一定裕量，可见仍有进一步减重的潜力。即使按照目前的铺设方法，该卫星杆件仍有进一步减重的潜力。接着，通过计算可以进一步判断目前的铺设方法是否合理，通过软件进行计算比较，以得到在保证强度需要的前提下最少的复合层数，以最大限度地减轻卫星杆件的质量。

　　通过计算分析发现，在承受轴向单向载荷的情况下，在保证强度足够的情况下，即R值≥1的时候，（0°/45°/-45°）的铺设方法可以比（0°/45°/-45°/90°）的铺设方法少4层。现计算当铺设角度为（0°/45°/-45°)，时，最小所需的铺设层数。其他参数保持不变，以复合层数为变量（即复合次数从1次到6次，或者更多），对R的结果进行计算，可以看出，只要2×2×3=12层对称铺设后，其强度即可达到要求，即R>1；即使R达到1.5的时候也只要18层，比此前的原铺设方法28层要减少10层，可见减重效果十分显著。因此本研究选用（0°/45°/-45°）2s，对称铺层作为试件。

　　按照以上的优化结果，试制了5根长度100mm，20mm内径的CFRP管子，材料为T300碳纤维复合材料，铺设方法为（0°/45°/-45°）2s，并在万能试验机上进行压缩加载试验。压缩失效的载荷分别为18.8kN，18.9kN、19.0kN，18.9kN和19.0kN，理论计算结果当R=1.0时，最大轴向载荷为-0.31MN/m，合计19.78kN，与实验结果有少量误差，但是一致性较好。误差存在的原因是国内树脂性能在实际固化后均比对应理论值偏低。

　　从理论优化设计和试验结果可以看出，对于卫星结构等使用的复合材料二力杆件，在拉、压二力载荷作用下，（0°/45°/-45°/90°）对称复合铺设方法的强度比（0°/45°/-45°/90°）非对称复合铺设方法要好，（0°/45°/-45°）s对称复合方法的强度要好于（0/45/-45/90)对称复合方法。在保持相同强度的条件下，承受同样载荷作用下，与未经优化设计的原杆件相比，采用相同材料，复合材料的层数可以从28层降低到18层，减质量可达30%以上。

　　阅读延伸：《M40碳纤维卫星天线支撑管研制技术》