K型CFRP三維編織節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能研究.pdf

1、減重是航天器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的首要問(wèn)題之一,而采用輕質(zhì)高強(qiáng)型材料和進(jìn)行結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)則是實(shí)現(xiàn)減重目標(biāo)的兩種重要途徑。近年來(lái)隨著材料技術(shù)的發(fā)展,碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CarbonFiberReinforcedPlastic,簡(jiǎn)稱CFRP)因其具有密度低、強(qiáng)度高、剛度大、抗腐蝕和抗疲勞性能好等優(yōu)點(diǎn),在航空航天領(lǐng)域得到了日益廣泛的應(yīng)用。相比之下,結(jié)合CFRP材料特點(diǎn)的結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)方法仍處于探索階段,特別是針對(duì)CFRP桁架節(jié)點(diǎn)的研究幾乎處于空白。而實(shí)

2、際上,作為CFRP桁架結(jié)構(gòu)的重要組成部分,節(jié)點(diǎn)對(duì)于結(jié)構(gòu)整體的力學(xué)性能及輕量化設(shè)計(jì)的影響都是不容忽視的。為此,本文針對(duì)K型三維編織CFRP桁架節(jié)點(diǎn),進(jìn)行了節(jié)點(diǎn)極限承載力數(shù)值分析方法、節(jié)點(diǎn)受力性能及參數(shù)敏感性分析和CFRP桁架節(jié)點(diǎn)輕量化設(shè)計(jì)方法研究。主要工作包括以下幾方面:
　　1、三維編織復(fù)合材料的彈性常數(shù)和材料強(qiáng)度預(yù)測(cè)。分別利用3-cell模型和改進(jìn)的Tsai-Wu公式預(yù)測(cè)了三維編織復(fù)合材料的彈性常數(shù)和材料強(qiáng)度,并探討了纖維體積含

3、量和編織角對(duì)彈性常數(shù)和材料強(qiáng)度的影響規(guī)律。
　　2、CFRP三維編織節(jié)點(diǎn)的數(shù)值分析方法研究。探討了三維編織節(jié)點(diǎn)的建模技術(shù)(包括材料常數(shù)、單元類型、網(wǎng)格劃分和邊界條件確定等問(wèn)題)和極限承載力確定方法(包括強(qiáng)度極限和局部屈曲等問(wèn)題)。通過(guò)將數(shù)值分析結(jié)果與文獻(xiàn)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比,驗(yàn)證了本文方法的準(zhǔn)確性。
　　3、K型CFRP三維編織節(jié)點(diǎn)的受力學(xué)性能分析。通過(guò)參數(shù)分析,研究了工藝參數(shù)、荷載參數(shù)和幾何參數(shù)對(duì)節(jié)點(diǎn)極限承載力的影響。結(jié)果表明,在

4、給定徑厚比條件下,節(jié)點(diǎn)失效模式以強(qiáng)度失效為主,且各參數(shù)對(duì)于結(jié)構(gòu)極限承載力的影響可以認(rèn)為是相互獨(dú)立的。在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步開(kāi)展了各節(jié)點(diǎn)參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)極限承載力的敏感性分析,從中篩選出了影響較大的參數(shù),為進(jìn)一步開(kāi)展節(jié)點(diǎn)輕量化設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。
　　4、節(jié)點(diǎn)輕量化設(shè)計(jì)方法研究。結(jié)合ANSYS軟件特點(diǎn),提出以節(jié)點(diǎn)質(zhì)量最輕(體積最小)為優(yōu)化目標(biāo),以主管直徑和主管徑厚比等參數(shù)為優(yōu)化變量,綜合運(yùn)用零階算法和一階算法的節(jié)點(diǎn)輕量化設(shè)計(jì)方法,并通過(guò)算例驗(yàn)證了