超轻质全复合材料桁架结构的弯曲性能研究

1、超轻质全复合材料桁架结构的弯曲性能研究鞠 苏1江大志|肖加余' r ajit shenoi2(1.国防科学技术大学航天与材料工程学院，长沙410073；2.南安普顿大学工程科学学院，南安普顿s017 1bj)摘 要 利用人工引导预浸渍纤维束缠绕工艺蔓体成型三角形截面玻璃纤维/环氧全复合材 料桁架；采用三点弯曲方式对桁架进行整体弯曲性能测试;利用数值计算方法对桁架的弯曲特 性进行模拟。结釆表明，该工艺制得的越轻质全复合材料桁架弯曲刚度达到33. 75n/mm,失 效载荷为405n；数值模拟的结呆与实验结果偏差不大于7%。关键词 超轻质结构；复合材料桁架；弯曲性能;数值计算随着世界各国航空

2、航天业的发展，航空航天器结构设计提出了大跨度支撑结构件的超轻型化问题。 大跨度支撐结构的传统形式是桁架，特点是采用杆件组成杆系超静定结构传递和支撐载荷，其优点在于 刚度大、跨度大、节省材料。现有的桁架结构包括钢桁架、铝桁架及复合材料桁架等。钢桁架由于材料 密度太大、桁架过重，无法满足超轻质的要求;铝制桁架满足重量要求，但材料强度偏低,且铝制桁架各 杆件的连接也主要是依靠钾接等连接形式，接头过多,桁架整休结构的可靠性较低，不满足对支撑结构 髙性能的要求;先进复合材料桁架式结构已经越来越多地应用到了卫星结构、空间站等各类航空航天结 构中。但大多数复合材料桁架式结构的主休是由杆件或管件与接头通过连接

3、组合而成,且接头多为铝 合金等金属接头，这对于大型尺寸的桁架结构来说势必造成接头过多,结构重最增加，可靠性下降等问 题山2】。为了同时满足支撑结构大跨度、超轻质和高性能的要求,解决途径为:采用低密度、高强度的 轻质结构材料来滅少重量。纤维增强聚合物基复合材料在这方面具有明显的优势;沿载荷的传递路 径布置材料，摒弃赘重;在布置了材料的位置将材料的性能发挥到极致一充分发挥单向复合材料的 性能，以达到少用材料，减轻重址的目的;结构一体化，整体成型，减少连接件，增加可靠性。超轻质全复合材料桁架结构就是基于这样一种设计思想而产生的。它由纵向肋条和环向肋条通过 相互交织的方式构成轴对称桁架结构。纵向肋条及

4、环向肋条均由高性能单向纤维/环氧树脂固化而成。 纵向肋条平行于桁架的中心轴，环向肋条则环绕中心轴布置。环向肋条用以承受扭载和横向剪切力，纵 向肋条则主要用于承受轴向弯曲载荷。环向肋条通过与纵向肋条相交减小了纵向肋条发生局部屈曲的 有效长度。交织在一起的纵向、环向肋条构成了任意载荷下的载荷传递路径，即是按照载荷的主要传递 路径来布置材料，纤维沿载荷传递方向排布，使得整个复合材料结构成为拉伸主导型结构2小 (stretching dominated structure)，对任何载荷状况，构成点阵结构的肋条几乎都只承受拉、压载荷，纤维 优异的单向性能得以发挥到极致,从而提高了超长尺寸结构的稳定性，滅

5、轻了结构重址。同时超轻质复 合材料桁架结构还是一种一体化的复合材料结构，综合了所设计的结构单元，减少各单元间连接组件, 采用低成本的成型工艺一次性整体成型，大大提高了桁架结构的可靠性。国外对于超轻质全复合材料桁架结构的设计、制造与应用已经取得很大进展，如商品化的 misotruss”结构2® ,而国内鲜有相关研究报道。本文采用人工引导预浸渍纤维束缠绕工艺整体成型 得到长6m、重5. 3kg的三角形截面玻璃纤维/环氧全复合材料桁架，利用万能力学性能试验机和滑轮组 实现对该复合材料桁架的三点弯曲性能测试，同时采用有限元软件对该桁架三点弯曲试验过程中载966复合材舛创新与可持侯发畏荷一位移

6、关系进行了数值模拟。1实验部分1.1原材料制备玻璃纤维/环氧超轻质复合材料桁架所需原材料如表1所示。其中对二氨基二苯基甲烷 (ddm)为中温固化剂，固化温度为90。表1原材料名称规格生产厂家无破玻璃纤维无捻粗纱2400tex泰山玻璃纤维股份有限公司奇强度玻璃纤维纱型号：s4c8中材科技股份有限公司cyd-128(e-51)环氧树脂环氧值0.51巴陵石油化工有限公司对二氨基二苯基甲烷(ddm)化学纯上海三爱思试剂有限公司1.2缠绕芯模成型用的缠绕芯模由厚壁钢管和环氧支撑板构成，如图1所示。构成超轻质全复合材料桁架的纵 向肋条为复合材料拉挤圆杆，成型前与缠绕芯模固定在一起。采用人工引导预浸渍纤维束

7、缠绕的方式按照预先设计的纤维束走向和周期数进行缠绕。缠绕完毕 后用玻璃纤维高强度纱对各个方向的环向肋条进行绑束。之后将复合材料桁架连同芯模一起放入大烘 箱中加热固化，经90龙加热3小时后取出脱模即得超轻质全复合材料桁架，如图2所示。复合材料桁 架的几何尺寸如表2所示。图丨缠绕芯模图2超轻质全复介材料桁架表2复合材料桁架的几何参数长度重量桁架截面外接圆直径缠绕间隔数纵向肋条直径环向肋条直径6 m5.3 kg348 mm18& 5 mm5. 2 mm1.3三点弯曲试验桁架的三点弯曲试验装置如图3所示。桁架三角形截面顶点朝下，加载点位于桁架正中间位置。 加载点与钢丝、力传感器连接，再通过滑轮

8、组将钢丝引至万能力学性能试验机的移动端。复合材料桁架 中截面的变形位移由与计算机连接的机电百分表测得。图3三点弯曲试验装置2数值计算用于计算的材料工程常数值如表3所示。其中复合材料桁架纵、环向肋条的拉伸模量均为实测值, 其余为査阅设计手册和通过工程常数间关系式换算得到。在有限元软件ansys环境中建立该超轻质全复合材料桁架的有限元模型如图4所示。模型中将 四个支撐点平动自由度全约束，载荷施加在桁架正中间三角形截面的顶点上。数值计算过程中应将非 线性大变形求解器打开。工程常数数值e （纵向/环向）45. 8/46.6 gpad胡& 4 gpag十ga4.7 gpag,4. 14 cpa怜

9、讥0.280. 33*3用于数值计算的材料工程常数图4复合材料桁架有限元模型3结果与讨论实验测得的超轻质全复合材料桁架三点弯 曲载荷一位移曲线及由数值计算模拟得到的载 荷一位移关系曲线如图5所示。由图可知，实验曲线和数值模拟曲线都由两 个直线段和拐点组成，均呈现明显的双线性曲线 特征。实验曲线由开始的线性段到后来的线性 段过渡比较平缓，而数值模拟曲线则没有明显过 渡阶段，拐点明显。两条曲线在拐点后位移都快 速增加，而载荷则增幅很小，实验过程中可以观 察到，拐点后复合材料桁架会逐渐发生严重变(na)豈4540 o oo 52 i0.0.o0.10520186h4u2o图5三点弯曲载荷一位移实验曲

10、线及数值模拟曲线968复合材科创祈与可持第发畏形，数值模拟的结果也一样。如图6所示，拐点后复合材料桁架的纵向肋条将会出现非常明显的“s”形 形变。之后继续增加载荷，将导致整个复合材料桁架的完全失效。(b)模拟图6拐点后复合材料桁架的变形情况由此可以判定，拐点载荷即为该超轻质复合材料桁架的极限承载载荷。实验曲线的拐点载荷约为 405n,开始直线段的斜率为33.75n/mm,因此该超轻质复合材料桁架的极限承载载荷为405n,三点弯 曲载荷下的抗弯刚度为33.75n/mm0数值模拟曲线的拐点载荷为432n,开始直线段的斜率为 34. 5n/mm，因此数值模拟结果与实验结果的偏差不大于7%。4结论利用

11、人工引导预浸渍纤维束缠绕工艺整体成型岀的超轻质全复合材料桁架,在三点弯曲加载方式 下,具有良好的抗弯刚度和承载能力;测得的载荷一位移曲线表现出特殊的双线性特征，拐点载荷即为 该桁架的极限承载载荷;利用数值计算的方法可以较准确地模拟该超轻质全复合材料桁架的弯曲行为。参考文献1 k danielt a marekt m krzysztof. composite joint of aerostmctures m. poland: warsaw university press inc. t 20002 郑百林，张士元，贺鹏飞，等.卫星桁架复合材料多连通接头性能的测试与分析j复合材料学报,2005,2

12、2(6)： 172 -177.3 v s deshpande. m f ashby. n a fleck. foam topology: bending vereus stretching dominated architectures j. acta materialia, 2001, 10(1)： 113-1204 范华林，杨卫，方岱宁，等.新型碳纤维点阵复合材料技术研究j航空材料学报,2007 , 27(3):46 - 50.5 范华林，杨卫.轻质高强点阵材料及其力学性能研究进展j力学进展,2007 , 37(1):99-112.6 mccune d t. manufacturing q

13、uality of carbon/epoxy isotruss reinforced concrete structures d. utah: brigham young university, 2005.7 ferrell m j. flexural behavior of carbon/epoxy isotruss reinforced concrete beam - columns d. utah: brigham young university, 2005.8 richardson s in - situ testing of a carbon/epoxy isotruss rein

14、forced concrete foundation pile d. utah:brigham young university f 20069 carroll t s. predicted residual strength of damaged isotruss structures d. utah:brigham young university, 2006.10 欧洲航空局著.空间结构复合材料设计手册m中国航空航天强度研究所和第四研究院，1992.research on flexural performance of the ultra-lightweightcomposite tru

15、ss structureju su1, jiang dazhi1 ,xiao jiayu1 ,r ajit shenoi2(1. college of aerospace and materials engineering、national university of defense technology, changsha 410073；2. school of engineering science, university of southampton t southampton sou ibj, uk)abstract: a glass-fiber/epoxy composite tru

16、ss with triangle section was integrally fabricated by manually guided prepreg filament winding process three-point bending test was conducted for the composite truss. the bending performance of the ultra-lightweight composite truss was numerically simulated. the results show that the flexural stififness and ultimate load of the composite truss is 33.75n/mm and 405 n respectively. the difference between the