复合材料桁架结构热变形分析
作者：闫照明
来源：《科技创新导报》 2013年第15期
闫照明
（中国商飞 上海飞机设计研究院 强度设计研究部 上海 201210）
摘?要：通过有限元法研究了缠绕角度、铺层层数、单层厚度对复合材料杆件热变形的影响。研究表明，铺层层数和单层厚度对复合材料杆件热变形的影响较小，缠绕角度对复合材料杆件热变形会产生较大影响。本文主要是对复合材料杆件的缠绕角度在不同位置进行改变作了相应探讨，同时还确定使复合材料桁架结构热变形较小的杆件缠绕方案。
关键词：桁架结构 热变形 缠绕角度 有限元法
中图分类号：V414.1 文献标识码：A 文章编号：1674-098X(2013)05(c)-0123-02
碳纤维增强复合材料具有轻质高强、耐腐蚀、耐高温、热力学性能优良等特点，被广泛应用[1]，随着卫星技术的发展，采用碳纤维增强复合材料研制的桁架式结构越来越多地应用到卫星结构中[2]。桁架式结构其通用性及组合性较好，可根据不同构型进行组合，它还具有局部强度高、载荷分配合理、形式简单、安装和拆卸简单方便等特点，有着广阔的应用前景[3]。而在我国的卫星平台中，使用复合材料桁架结构作为卫星的主结构，而这些仍然处于不成熟的状态。其中卫星结构与民用产品存在着不同，对结构的热变形和安装精度等方面上的要求较高，且它受精度和重量等方面的指标也相当的严格[4]，因此开展复合材料桁架结构的研究很有必要的。
该文分析了缠绕角度、铺层层数、单层厚度对复合材料杆件热变形的影响，制定出使复合材料桁架结构热变形较小的杆件缠绕方案。
1 复合材料杆件的热变形
复合材料杆件尺寸：长0.78?m，截面为圆环，外半径0.02?m，内半径随铺层厚度的变化而变化。
复合材料杆件的材料参数[5]。通过有限元软件，选择shell99单元建立有限元模型，一端固定，施加均匀的温度体载荷T=160℃，参考温度T0=0℃。分别得出复合材料杆件轴向热变形随缠绕角度、铺层层数、单层厚度变化而变化的结果[6]（如表2、表3所示）。为下一步确立复合材料桁架结构热变形较小的复合材料杆件缠绕方案做准备。
从表2、表3可知铺层层数和单层厚度对复合材料杆件热变形的影响较小，缠绕角度对复合材料杆件热变形的影响较大。缠绕角度为[30°/-30°]6时存在较大的负膨胀。
2 复合材料桁架结构的热变形分析
在复合材料杆件讨论的基础上研究复合材料桁架结构热变形（如图1所示）。首先利用有限元软件建立复合材料桁架结构的有限元模型，桁架结构接头的材料参数见表4，然后桁架结构施加底端固支边界条件和均匀的温度体载荷T=160?℃，参考温度T0=0?℃，计算复合材料桁架结构的热变形。
复合材料杆件的热变受铺层层数和单层厚度形影响较小，因此重点分析改变不同位置处杆件的缠绕角度，比较复合材料桁架结构的热变形，最终得出复合材料桁架结构热变形较小的复合材料杆件缠绕方案：
斜杆的缠绕角度：[15°／-15°]10
竖杆的缠绕角度：[30°／19°／0°／-19°／-30°]4
底端横杆的缠绕角度：[50°／0°／-50°]4
中间和顶端横杆的缠绕角度：[30°／17°／-17°／-30°]5
将上述缠绕方案带入复合材料杆件，桁架结构底端固支，施加温度载荷T=160℃，参考温度T0=0℃，利用有限元软件计算桁架结构的热变形并得到复合材料桁架结构、、三个方向的节点位移等值线图，如图2～图4所示。
分析图2至图4发现：在上述复合材料杆件的缠绕方案下，分析复合材料桁架结构的热变形，复合材料桁架结构左右两侧八个接头x方向的热变形基本为零，复合材料桁架结构顶端四个接头y方向的热变形基本为零，复合材料桁架结构前后八个接头z方向的热变形基本为零，达到了我们所想要实现的结果。
3 结语
本文研究了复合材料杆件的缠绕角度、铺层层数、单层厚度对其热变形的影响，得出铺层层数和单层厚度对复合材料杆件热变形的影响较小，缠绕角度对复合材料杆件热变形的影响较大。在此基础上，通过改变不同位置处复合材料杆件的缠绕角度，得出了使复合材料桁架结构热变形比较小的杆件缠绕方案，为以后的复合材料桁架结构设计和应用提供了参考依据。
参考文献
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