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3D機織復合材料多向接頭有限元分析

發表時間:2022-04-05 22:11 閱讀:
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      提高衛星、大型航天器等承力結構的有效載荷功能是目前國內外該領域共同的發展趨勢,桁架接頭是桁架結構中連接桿件、承力傳力的重要構件,其結構復雜多變,多在高低溫交變的環境中工作,且在高真空中還要受到電子、質子、紫外線輻照等影響,因此對形狀復雜的主承力復合材料接頭綜合力學性能的要求也不斷提高,被廣泛應用于各種行業,如橋梁等.美國、歐洲以及日本航天局利用纖維纏繞、編織、機織、針織等工藝均在積極研制不同性能的纖維增強型復合材料接頭。
      與鋪層復合材料相比,3D機織復合材料不存在層的概念,其在厚度方向的增強結構不僅可以實現結構的整體性,而且克服了傳統層壓復合材料層間脆弱的缺點;耐疲勞和阻尼減震性好,具有更高的沖擊韌性和損傷阻抗;熱膨脹系數可以接近于零,更適合于高低溫交變環境下尺寸要求穩定的結構。復合材料接頭設計是通過確定接頭的基本參數保證其承載能力和可靠性,對于結構形狀較為復雜的多向圓管相貫型接頭,在相貫部位無法直接測得所需的應力值和應力分布情況,有必要對其承載性能進行模擬有限元分析
      本文采用有限元軟件ANSYS對3D機織復合材料多向接頭所在桁架總體進行模擬,通過對比分析得出帶有襯經的機織角聯鎖復合材料為機織多向接頭的最佳材料,并補充了實測中無法獲取的數據。
      圖1是多向接頭的三維示意圖,可以看出,該接頭有3個圓管與中間的主體相連,以及與主體相連的法蘭盤,法蘭盤上有9個螺栓孔,實測中在多向接頭九個不同位置貼了應變片,應變片編號及位置如圖所示。
      多向接頭由T70012K碳纖維通過整體機織的方法織造而成,再采用樹脂傳遞膜塑技術(RTM)制成復合材料,樹脂為BS-2環氧樹脂.具體組織結構如圖2所示。
      由圖2可以看出,這是一種帶有襯經的三維角聯鎖結構,結構中包括3種紗線成分,經紗、緯紗和襯經紗。依靠經紗的彎曲交織,將所有紗線連接成一個不分層的整體。多向接頭的3個圓管的縱向與經紗方向平行,3個圓管的環向與緯紗方向平行。
      多向接頭結構復雜,在桁架中屬于下接頭。為確保模擬的準確性,對多向接頭所在的桁架總體進行受力分析。桁架總體模型及下接頭編號如圖3所示,圖中坐標系位置為A接頭,順時針旋轉依次為B、C、D接頭。
      采用建模軟件UGNX7.0繪制下接頭及其所在桁架總體模型,導入到有限元軟件ANSYS中。模型在進行分析之前需要進行一定的預處理:①粘結處理,使用布爾操作中的vglue命令將桁架中所有連接件進行粘結,以實現現實中膠接的作用;②下接頭分塊處理,使用布爾操作中的divide命令將4個下接頭分別分塊,每個下接頭分成5塊,包括3個圓管、主體以及法蘭盤;③建立局部坐標系,在進行分塊處理的同時建立局部坐標系,并賦予接頭及桁架各部位相應的材料屬性。
      樹脂基碳纖維三維角聯鎖結構復合材料屬正交各向異性材料,其9個材料彈性常數是借助于文獻的計算機軟件計算獲得,具體計算結果見表1所示。制件中的所有經紗方向(圓管和桿件縱向)的彈性模量為Exx,緯紗方向(圓管和桿件環向)的彈性模量為Eyy,壁厚方向的彈性模量為Ezz。


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