超轻质全复合材料桁架结构的弯曲性能研究

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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

2、肖加余'RAjitShenoi2(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S0171BJ)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航

3、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

4、件与接头通过连接组合而成,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:①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;②沿载荷的传递路径布置材料，摒弃赘重;③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;④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

5、互交织的方式构成轴对称桁架结构。纵向肋条及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(StretchingDominatedStructure)，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

6、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

7、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

8、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6m5.3kg348mm18&5mm5.2mm1.3三点弯曲试验桁架的三点弯曲试验装置如

9、图3所示。