復(fù)合材料桁架結(jié)構(gòu)熱變形分析

摘 要：通過有限元法研究了纏繞角度、鋪層層數(shù)、單層厚度對復(fù)合材料桿件熱變形的影響。研究表明，鋪層層數(shù)和單層厚度對復(fù)合材料桿件熱變形的影響較小，纏繞角度對復(fù)合材料桿件熱變形會(huì)產(chǎn)生較大影響。本文主要是對復(fù)合材料桿件的纏繞角度在不同位置進(jìn)行改變作了相應(yīng)探討，同時(shí)還確定使復(fù)合材料桁架結(jié)構(gòu)熱變形較小的桿件纏繞方案。

關(guān)鍵詞：桁架結(jié)構(gòu) 熱變形 纏繞角度 有限元法

中圖分類號：V414.1文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1674-098X（2013）05（c）-0123-02

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕、耐高溫、熱力學(xué)性能優(yōu)良等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用[1]，隨著衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，采用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料研制的桁架式結(jié)構(gòu)越來越多地應(yīng)用到衛(wèi)星結(jié)構(gòu)中[2]。桁架式結(jié)構(gòu)其通用性及組合性較好，可根據(jù)不同構(gòu)型進(jìn)行組合，它還具有局部強(qiáng)度高、載荷分配合理、形式簡單、安裝和拆卸簡單方便等特點(diǎn)，有著廣闊的應(yīng)用前景[3]。而在我國的衛(wèi)星平臺中，使用復(fù)合材料桁架結(jié)構(gòu)作為衛(wèi)星的主結(jié)構(gòu)，而這些仍然處于不成熟的狀態(tài)。其中衛(wèi)星結(jié)構(gòu)與民用產(chǎn)品存在著不同，對結(jié)構(gòu)的熱變形和安裝精度等方面上的要求較高，且它受精度和重量等方面的指標(biāo)也相當(dāng)?shù)膰?yán)格[4]，因此開展復(fù)合材料桁架結(jié)構(gòu)的研究很有必要的。

該文分析了纏繞角度、鋪層層數(shù)、單層厚度對復(fù)合材料桿件熱變形的影響，制定出使復(fù)合材料桁架結(jié)構(gòu)熱變形較小的桿件纏繞方案。

1 復(fù)合材料桿件的熱變形

復(fù)合材料桿件尺寸：長0.78 m，截面為圓環(huán)，外半徑0.02 m，內(nèi)半徑隨鋪層厚度的變化而變化。

復(fù)合材料桿件的材料參數(shù)[5]。通過有限元軟件，選擇shell99單元建立有限元模型，一端固定，施加均勻的溫度體載荷T=160℃，參考溫度T0=0℃。分別得出復(fù)合材料桿件軸向熱變形隨纏繞角度、鋪層層數(shù)、單層厚度變化而變化的結(jié)果[6]（如表2、表3所示）。為下一步確立復(fù)合材料桁架結(jié)構(gòu)熱變形較小的復(fù)合材料桿件纏繞方案做準(zhǔn)備。

從表2、表3可知鋪層層數(shù)和單層厚度對復(fù)合材料桿件熱變形的影響較小，纏繞角度對復(fù)合材料桿件熱變形的影響較大。纏繞角度為[30°/-30°]6時(shí)存在較大的負(fù)膨脹。

2 復(fù)合材料桁架結(jié)構(gòu)的熱變形分析

在復(fù)合材料桿件討論的基礎(chǔ)上研究復(fù)合材料桁架結(jié)構(gòu)熱變形（如圖1所示）。首先利用有限元軟件建立復(fù)合材料桁架結(jié)構(gòu)的有限元模型，桁架結(jié)構(gòu)接頭的材料參數(shù)見表4，然后桁架結(jié)構(gòu)施加底端固支邊界條件和均勻的溫度體載荷T=160 ℃，參考溫度T0=0 ℃，計(jì)算復(fù)合材料桁架結(jié)構(gòu)的熱變形。

復(fù)合材料桿件的熱變受鋪層層數(shù)和單層厚度形影響較小，因此重點(diǎn)分析改變不同位置處桿件的纏繞角度，比較復(fù)合材料桁架結(jié)構(gòu)的熱變形，最終得出復(fù)合材料桁架結(jié)構(gòu)熱變形較小的復(fù)合材料桿件纏繞方案：

將上述纏繞方案帶入復(fù)合材料桿件，桁架結(jié)構(gòu)底端固支，施加溫度載荷T=160℃，參考溫度T0=0℃，利用有限元軟件計(jì)算桁架結(jié)構(gòu)的熱變形并得到復(fù)合材料桁架結(jié)構(gòu)、、三個(gè)方向的節(jié)點(diǎn)位移等值線圖，如圖2～圖4所示。

分析圖2至圖4發(fā)現(xiàn)：在上述復(fù)合材料桿件的纏繞方案下，分析復(fù)合材料桁架結(jié)構(gòu)的熱變形，復(fù)合材料桁架結(jié)構(gòu)左右兩側(cè)八個(gè)接頭x方向的熱變形基本為零，復(fù)合材料桁架結(jié)構(gòu)頂端四個(gè)接頭y方向的熱變形基本為零，復(fù)合材料桁架結(jié)構(gòu)前后八個(gè)接頭z方向的熱變形基本為零，達(dá)到了我們所想要實(shí)現(xiàn)的結(jié)果。

3 結(jié)語

本文研究了復(fù)合材料桿件的纏繞角度、鋪層層數(shù)、單層厚度對其熱變形的影響，得出鋪層層數(shù)和單層厚度對復(fù)合材料桿件熱變形的影響較小，纏繞角度對復(fù)合材料桿件熱變形的影響較大。在此基礎(chǔ)上，通過改變不同位置處復(fù)合材料桿件的纏繞角度，得出了使復(fù)合材料桁架結(jié)構(gòu)熱變形比較小的桿件纏繞方案，為以后的復(fù)合材料桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供了參考依據(jù)。

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