复合材料点阵结构新型结点连接方式研究.pdf

　４　　　　　复合材料点阵结构新型结点连接方式研究　　２０１３年１０月　　　部加强板，随后在模具板、蒙皮板和加强板上分别标　　　　注安装压杆与拉丝的孔位，并进行孔的制作；然后将　　　　模具板在空间进行定位，穿插相应的压杆，在压杆孔　　　中灌胶；接着将蒙皮板和加强板胶接到模具板上下　　　表面，并将浸胶的拉丝进行穿插定位；最后将结构放　　　　　到高温烘箱中固化，使拉丝、蒙皮板、加强板以及模　　具板界面上胶体一次固化成型。　　２．３自平衡结点受力分析　复合材料点阵结构一般作为横向承弯结构使　　　用，结构在受弯作用下，点阵结构类似于空问桁架结　　　构，上下蒙皮分别承受压力和拉力作用，共同形成抵　　　　抗弯矩，以平衡外荷载形成的截面弯矩，点阵杆以拉　　　压杆的形式承受外荷载引起的剪力。　　　　　新型白平衡结点受力分析如图２所示，压杆、拉　　　　　丝和面板轴线相交于一点，压杆压力Ｆ、拉杆拉力　　　Ｆ拉和面板内力Ｆ板在交点处平衡；面板的内力平衡　　　　　　　方程为Ｆ胁＝Ｆ拉，Ｆ板＝Ｆ盛＋Ｆ，Ｍｌ＝Ｍ２，即压杆　　　　　压力Ｆ压的垂直分量Ｆ压和拉杆拉力Ｆ拉的垂直分　　　　　　量相等，压杆和拉丝的水平分量Ｆ、Ｆ分别作　　　　　用在面板上下表面，两者的和与面板内力Ｆ桥相等，　　　　　　　　方向相反；上下面板产生的附加弯矩。、方向相　　　　　　　　反，可以相互抵消，在面板处产生的总附加弯矩较　　　　　小，这样实现了结点自平衡。综上可知，在自平衡结　　　点处Ｆ拉和Ｆ压分别作用在面板上下表面，面板受到　　　　　垂直于纤维走向的径向压应力作用，这将提高面板　　　顺纤维方向的抗压强度，面板不容易发生分层破坏，　　　　而结点处基本没有形成附加弯矩，拉杆与面板交界　　处不会形成附加剥离力，结点稳定。　　图２自平衡结点受力分析　　　　　　　Ｆｉｇ．２Ｓｔｒｅｓｓａｎａｌｙｓｉｓｏｆｓｅｌｆ－ｂａｌａｎｃｉｎｇｎｏｄｅ　对于传统结点连接方式，受力分析如图３所示，　结点在竖直方向受力也实现了自平衡，但是拉压杆　　　水平分力合成较大的力Ｆ拉，并且拉压杆水平分力　　　　　Ｆ植压只作用在面板下表面，与面板内力Ｆ板不在同一　　　　　轴线，会产生较大的附加弯矩，面板容易分层。　所以在传统结点处受力较大，并且力只作用在面板　　下表面，对结点的剥离较严重，结点易破坏。　　　　　ＦＲＰ／ＣＭ２０１３ｉＮ￣ｉ７一一　　心　…，　　ｒ７　　　…一，一一一　　～　　　一．～，　１　ｊ一～　…　一　．　　．～　　　　图３传统结点受力分析　　　　　　　Ｆｉｇ．３Ｓｔｒｅｓｓａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｎｏｄｅ　　　　通过对自平衡结点连接方式分析可知：拉压杆　　　根据各杆件的受力大小和性质选取，这样发挥了各　　　　　杆件的力学性能，并且拉压杆在结点处实现自平衡，　结构受力更加合理；压杆嵌入面板中灌胶固化，拉丝　　　　　通过穿插与面板机械连接，结点强度很大；蒙皮、模　　　　具板和加强板表面涂胶固化并打入铆钉，抗剥离能　　　　力很强，不易出现面板分层现象。所以该新型自平　　　衡结点连接方式杆件受力合理，结点强度大，面板不　易分层。　　３点阵结构实验　　３．１试件制作　　　　　某点阵结构纵向布置如图４所示，横向由６排　　　ｘ形杆件组成，点阵杆件和面板采用复合材料，主梁　　采用铝合金材料。结点连接方式采用新型自平衡结　　　点连接方式和传统结点连接方式，制备试件Ｓ１与试　　　　　　　　　件ｓ２，试件ｓ１采用自平衡结点连接方式，试件ｓ２　采用传统结点连接方式。　主梁　　图４点阵结构杆件布置图　　　　　　　Ｆｉｇ．４Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎｏｆｔｒｕｓｓｍｅｍｂｅｒｓ　　　　ａ￣ａｎｇｅｏｆｌａｔｔｉｃｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　　３．２试验装置介绍　　　　　　试验在改装的万能试验机上采用正向加载方　　　法，试验装置由加载系统和数据测试系统两部分组　　　　　　　　成，加载系统如图５所示，由夹具、钢框、钢球、布袋、　　　加载板以及ＣＳＳ电子万能试验机组成。点阵试件通　　　过夹具固定在试验机上，将装有粒径５ｍｍ钢球的布　　袋放置于试件正上方，再将２０ｒ　　ａｍ厚的加载板放置　　　　　　　　布袋上，试件外部布置钢框，用于约束布袋内的钢　　球。实验前通过Ａｂａｑｕｓ有限元建模验算加载板和　　　钢框的刚度，满足要求。实验过程中记录荷载、位移　　　值与破坏形态，并绘制荷载一位移曲线。　６　　　复合材料点阵结构新型结点连接方式研究　　２０１３年１０月　　　５结论　　通过理论分析和试验结果比较可得到以下结论：　　　（１）新型自平衡结点将拉压杆传力点分别置于　　　面板上下表面，面板受到径向压力作用，可以有效控　　制面板分层现象；并且拉压杆水平分力的合力作用　线与面板压力作用线基本重叠，大幅度降低了结点　　　处的偏心力矩。因此，自平衡结点受力合理，强度高　且稳定，解决了传统点阵结构结点薄弱的问题；　　　（２）两组试件的静载试验也证明采用新型自平　衡结点连接方式的点阵结构拉压杆布置合理，承载　力高，较传统点阵结构和其他类型结构更能体现出　　　点阵结构高比强度、高比刚度的特点。　参考文献　［１］Ｍ．Ｆ．Ａｓｈｂｙ，Ａ．Ｇ．Ｅｖａｎｓ，Ｎ．Ａ．Ｆｌｅｃｋ，Ｌ．Ｊ．Ｇｉｂｓｏｎ，Ｊ．Ｗ．　　　　　　Ｈｕｔｃｈｉｎｓｏｎ．Ｈ．Ｎ．Ｇ．Ｗａｄｌｅｙ．ＭｅｔａｌＦｏａｍｓ：ＡＤｅｓｉｇｎＧｕｉｄｅ　　　［Ｍ］．１￣ｏｓｔｏｎ：ＢｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈＨｅｉｎｅｍａｎｎＰｒｅｓｓ，２０００．　［２］Ｖ．Ｓ．Ｄｅｓｈｐａｎｄｅ，Ｎ．Ａ．Ｆｌｅｃｋ．Ａｃｔａ．Ｍａｔｅｒ．，２００１，４９：１０３５．　　　　　　　　　　　［３］ＥｎｓｅｎＤＷ．ＡｇｌｉｍｐｓｅｉｎｔｏｔｈｅｗｏｒｌｄｏｆｉｎｎｏｖａｔｉｖｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓＩｓｏ　　　Ｔｒｕｓｓｄｓｔｒ　　ｕｃｔｕｒｅｓ［Ｊ］．ＳＡＭＰＥｊｏｕｍａｌ，２０００，３６（５）：８－１６．　　　　　　　　　　［４］ＷａｄｌｅｙＨＮＧ，ＦｌｅｃｋＮＡ，ＥｖａｎｓＡＧ．Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎａｎｄｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｐｅｒ　　ｉｏｄｉｃｃｅｌｌｕｌａｒｍｅｔａ　　　ｌｓａｎｄｗｉｃｈｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ［Ｊ］．Ｃｏｒｎ・　　　　ｐｏｓｉｔｅｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００３，６３：２３３１－２３４３．　　　　　　　　　　［５］ＣｈｉｒａｓＳ，ＭｕｍｍＤＲ，ＥｖａｎｓＡＧ．Ｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆ—　　　　　　　ｎｅａｒｏｐｔｉｍｉｚｅｄｔｒｕｓｓｃ０ｒｅｐａｎｅｌｓ［Ｊ］．ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｏｌｉｄｓ　　ａｎｄＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，２００２，３９：４０９３－４１１５．　［６］范华林．炭纤维点阵复合材料制备及其性能研究［Ｄ］．北京：清　　华大学，２００６．［７］Ｈ．Ｌ．Ｆａｎ，Ｆ．Ｈ＿Ｍｅｎｇ，Ｗ．Ｙａｎｇ．Ｍｅｃｈａｎｉｃａ　　　—　ｌＢｅｈａｖｉｏｒｓａｎｄＢｅｎ　　　　　　　　ｄｉｎｇＥｆｆｅｃｔｓｏｆＣａｒｂｏｎＦｉｂｅｒＲｅｉｎｆｏｒｃｅｄＬａｔｔｉｃｅＭａｔｅｒｉａｌｓ［Ｊ］．Ａｒｃｈ　　　ＡｐｐｌｅＭｅｃｈ．，２００６，７５：６３５－６４７．　　［８］范华林，杨卫等．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．　　　　　—　［９］ＪｉａｎＸｉｏｎｇ，ＬｉＭａ，ＬｉｎｚｈｉＷｕ，ＢｉｎｇＷａｎｇ，ＡｓｈｋａｎＶａｚｉｒｉ．Ｆａｂｒｉｃａ　　　　　　　　　　—　ｔｉｏｎａｎｄｃｒｕｓｈｉｎｇｂｅｈａｖｉｏｒｏｆｌｏｗｄｅｎｓｉｔｙｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｃｏｍｐｏｓｉｔｅＰＹ　　ｒａｍｉｄａｌｔｒｕｓｓｓｔｒ　ｕｃｔｕｒｅｓ［Ｊ］．ＣｏｍｐｏｓｉｔｅＳｔｒ　ｕｃｔｕｒｅｓ，２０１０，９２：２６９５—　２７Ｏ２．　［１０］Ｂ．Ｗａｎｇ，Ｌ．Ｚ．Ｗｕ，Ｌ．Ｍａ，Ｙ．Ｇ．Ｓｕｎ，Ｓ．Ｙ．Ｄｕ．Ｍａｔｅｒ．Ｄｅｓ．，　２０１０，３１：２６５９．　　　　　　　［１１］王明亮．复合材料金字塔点阵结构的ＲＴＭ制备工艺及力学性　　能［Ｄ］．哈尔滨：哈尔滨工业大学．　　　　　　　　　　　　ＡＮＥＷＮｏＤＥＣｏＮＮＥＣＴＩｏＮｏＦＣＯＭＰＯＳＩＴＥＭＡＴＥＲＩＡＬＬＡＴＴＩＣＥＳＴＲＵＣＴＵＲＥ　　　—　　—　　—　ＸＵＬｏｎｇ－ｘｉｎｇ，ＺＨＡＯＱｉｌｉｎ，ＣＨＥＮＨａｏｓｅｎ，ＡＩＳｈｉｇａｎｇ　　　　　　　　　　　（１．ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒＣｏｒｐｓ，ＰＬＡＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１０００７，Ｃｈｉｎａ；　　　　　２．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＰＫＵ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１００８７１，Ｃｈｉｎａ）　　　　　　　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｒｅａｒｅｍａｎｙｎｏｄｅｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｓｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍａｔｅｒｉａ　　　　　—　ｌｌａｔｔｉｃｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｓｕｃｈａｓｍｅｃｈａｎｉｃａｌｃｏｎｎｅｃ　　　　　　　　　　　　　　　　ｔｉｏｎ，ｂｅｓｅｔｉｎｔｈｅｇｒｏｏｖｅ，ｇｌｕｅｔｏｇｅｔｈｅｒａｎｄｍｏｌｄｉｎｇｉｎｏｎｅｔｉｍｅ．Ａｎｄｔｈｅｒｅａｒｅｍａｎｙｐｒｏｂｌｅｍｓｇｅｎｅｒａｌｌｙｈａｐｐｅｎｅｄ　　　　　　　　　　　　　　ｉｎｔｈｅｓｅｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｓ，ｔｈｅｆａｃｅｐｌａｔｅｉｓｅａｓｉｌｙｄｉｖｉｄｅｄ，ｃｏｒｅｍｅｍｂｅｒｓｅｌａｓｔｉｃｂｕｃｋｉｎｇ，ｆａｃｅｐｌａｔｅｉｓｄａｍａｇｅｄａｎｄｔｈｅ　　　　　　　　　　　　　　　　　—　ｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｇｌｕｅｗｈｉｃｈｎｅｅｄｅｄｉｓｄｉｓｓａｔｉｓｆａｃｔｏｒｙ．Ｉｎｏｒｄｅｒｏｓｏｌｖｅｔｈｅｓｅｐｒｏｂｌｅｍｓ．ｔｈｉｓｐａｐｅｒｂｒｉｎｇｓｏｕｔａｎｅｗｔｅｃｈ　　　　　　　　　　　　—　ｎｉｑｕｅｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｗｈｉｃｈｃａｌｌｅｄｓｅｌｆ．ｂａｌａｎｃｅｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ，ｔｈｉｓｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｈａｓｍａｎｙａｄｖａｎｔａｇｅｓ．Ａｎｄｔｈｅｎｅｗｃｏｎｎｅｃ　　　　　　ｔｉｏｎｗａｓｕｓｅｄｉｎｔｈｅｅｏｍｐｏｓｉｔｅｍａｔｅｒ　　　　　　　　　　　ｉａｌｌａｔｔｉｃｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ。ｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｔｈｅｌａｔｔｉｃｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｗｉｔｈｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｎｏｄｅ　　　　　　　　　　　　　　　ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ，ｔｈｅｐａｐｅｒｍａｄｅｔｗｏｓｐｅｃｉｍｅｎｓａｎｄｄｉｅｄｌｏａｄｔｅｓｔｓｗｅｒｅｃｏｎｄｕｃｔｅｄ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅ　　　　　　　　　　　ｌａｔｔｉｃｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｗｉｔｈｔｈｅｎｅｗｎｏｄｅｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｈａｖｅｃｈａｒａｃｔｅｒｓｏｆｈｉｇｈｓｐｅｃｉｆ　　　　　　ｉｃｓｔｉｆｆｎｅｓｓａｎｄｈｉｇｈｓｐｅｃｉｆｉｃｓｔｒｅｎｇｔｈ，　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　—　ａｎｄｔｈｅｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｎｏｄｅｉｓｈｉｇｈ．Ｉｔｓｏｌｖｅｄｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｔｈａｔｔｈｅｎｏｄｅｉｓｗｅａｋｉｎｌａｔｔｉｃｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ａｎｄｈａｖｅｇｏｏｄｐｏ　　ｔｅｎｔｉａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．　　—　　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ；ｌａｔｔｉｃｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｓｅｌｆｂａｌａｎｃｅ；ｎｏｄｅｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ　　　　ＦＲ＿Ｐ／ＣＭ２０ｉ；３Ｎ６ｉ７