3D机织复合材料多向接头有限元分析及性能预测

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3D机织增强结构复合材料不仅可以实现结构的整体性,而且克服了传统层压复合材料层间脆弱的缺点,因此成为卫星等航天器中桁架结构预制件的首选。本文使用CAD软件UG NX 7.0对3D机织复合材料多向接头及其所在的整体桁架各个构件分别建模,然后导入到ANSYS 14.0中对其进行预处理:包括粘接处理、分块处理;并根据复合材料多向接头预制件中的纤维走向,对多向接头不同轴向的圆管建立相应坐标系;采用MPC多点约束法对整个桁架系统施加载荷并求解,得到了单个多向接头的应力应变云图。  本文中的多向接头采用三维立体机织的方法织造预制件,使用RTM树脂转移模塑法对其进行复合,在多向接头的九个位置贴放应变片,然后对其进行力学性能测试,得到了多向接头的实测数据。通过将机织模拟结果与实测数据中九个应变片的最大应变作对比发现,机织模拟结果与实测结果中最大应变的位置与数值基本吻合,说明通过有限元方法可以较为准确的模拟现实中接头的受力工况,并且可以查看接头所有部位的应力应变。将最大应力与破坏应力作对比可以看出,接头在当前载荷下有可能会发生局部破坏,破坏位置应位于副管顶部;通过模拟判断了实测中发生轻微响声的原因极有可能是树脂与纤维界面分裂,但不排除复合材料发生轻微破坏的可能性。  将四种结构的3D机织复合材料多向接头的模拟结果进行对比,发现只有加入衬经的机织结构复合材料能够满足桁架的受力要求,同时为了方便制造,所以选择最优的材料是仅带衬经的3D机织复合材料。将仅带衬经的机织模拟结果与编织模拟结果进行对比发现,其应力分布基本相同,机织多向接头各部位最大应力比编织大40MPa左右,与破坏应力对比发现编织多向接头在副管2顶部局部区域同样有可能发生破坏,总之机织多向接头与编织多向接头的性能相差不大。此次模拟补充了实测中无法得到的数据,为接头的优化设计和实际使用提供一定的帮助。
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