K型CFRP三維編織節(jié)點力學(xué)性能研究.pdf

1、減重是航天器結(jié)構(gòu)設(shè)計中的首要問題之一,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)計則是實現(xiàn)減重目標(biāo)的兩種重要途徑。近年來隨著材料技術(shù)的發(fā)展,碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CarbonFiberReinforcedPlastic,簡稱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,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材料特點的結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計方法仍處于探索階段,特別是針對CFRP桁架節(jié)點的研究幾乎處于空白。而實

2、際上,作為CFRP桁架結(jié)構(gòu)的重要組成部分,節(jié)點對于結(jié)構(gòu)整體的力學(xué)性能及輕量化設(shè)計的影響都是不容忽視的。為此,本文針對K型三維編織CFRP桁架節(jié)點,進(jìn)行了節(jié)點極限承載力數(shù)值分析方法、節(jié)點受力性能及參數(shù)敏感性分析和CFRP桁架節(jié)點輕量化設(shè)計方法研究。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。分別利用3-cell模型和改進(jìn)的Tsai-Wu公式預(yù)測了三維編織復(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)點的數(shù)值分析方法研究。探討了三維編織節(jié)點的建模技術(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題)。通過將數(shù)值分析結(jié)果與文獻(xiàn)試驗結(jié)果對比,驗證了本文方法的準(zhǔn)確性。
　　3、K型CFRP三維編織節(jié)點的受力學(xué)性能分析。通過參數(shù)分析,研究了工藝參數(shù)、荷載參數(shù)和幾何參數(shù)對節(jié)點極限承載力的影響。結(jié)果表明,在

4、給定徑厚比條件下,節(jié)點失效模式以強(qiáng)度失效為主,且各參數(shù)對于結(jié)構(gòu)極限承載力的影響可以認(rèn)為是相互獨立的。在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步開展了各節(jié)點參數(shù)對結(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)一步開展節(jié)點輕量化設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。
　　4、節(jié)點輕量化設(shè)計方法研究。結(jié)合ANSYS軟件特點,提出以節(jié)點質(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,綜合運用零階算法和一階算法的節(jié)點輕量化設(shè)計方法,并通過算例驗證了