摘 要：通過有限元法研究了纏繞角度、鋪層層數(shù)、單層厚度對復合材料桿件熱變形的影響。研究表明，鋪層層數(shù)和單層厚度對復合材料桿件熱變形的影響較小，纏繞角度對復合材料桿件熱變形會產(chǎn)生較大影響。本文主要是對復合材料桿件的纏繞角度在不同位置進行改變作了相應探討，同時還確定使復合材料桁架結構熱變形較小的桿件纏繞方案。

關鍵詞：桁架結構 熱變形 纏繞角度 有限元法

中圖分類號：V414.1文獻標識碼：A文章編號：1674-098X（2013）05（c）-0123-02

碳纖維增強復合材料具有輕質高強、耐腐蝕、耐高溫、熱力學性能優(yōu)良等特點，被廣泛應用[1]，隨著衛(wèi)星技術的發(fā)展，采用碳纖維增強復合材料研制的桁架式結構越來越多地應用到衛(wèi)星結構中[2]。桁架式結構其通用性及組合性較好，可根據(jù)不同構型進行組合，它還具有局部強度高、載荷分配合理、形式簡單、安裝和拆卸簡單方便等特點，有著廣闊的應用前景[3]。而在我國的衛(wèi)星平臺中，使用復合材料桁架結構作為衛(wèi)星的主結構，而這些仍然處于不成熟的狀態(tài)。其中衛(wèi)星結構與民用產(chǎn)品存在著不同，對結構的熱變形和安裝精度等方面上的要求較高，且它受精度和重量等方面的指標也相當?shù)膰栏馵4]，因此開展復合材料桁架結構的研究很有必要的。

該文分析了纏繞角度、鋪層層數(shù)、單層厚度對復合材料桿件熱變形的影響，制定出使復合材料桁架結構熱變形較小的桿件纏繞方案。

1 復合材料桿件的熱變形

復合材料桿件尺寸：長0.78 m，截面為圓環(huán)，外半徑0.02 m，內半徑隨鋪層厚度的變化而變化。

復合材料桿件的材料參數(shù)[5]。通過有限元軟件，選擇shell99單元建立有限元模型，一端固定，施加均勻的溫度體載荷T=160℃，參考溫度T0=0℃。分別得出復合材料桿件軸向熱變形隨纏繞角度、鋪層層數(shù)、單層厚度變化而變化的結果[6]（如表2、表3所示）。為下一步確立復合材料桁架結構熱變形較小的復合材料桿件纏繞方案做準備。

從表2、表3可知鋪層層數(shù)和單層厚度對復合材料桿件熱變形的影響較小，纏繞角度對復合材料桿件熱變形的影響較大。纏繞角度為[30°/-30°]6時存在較大的負膨脹。

2 復合材料桁架結構的熱變形分析

在復合材料桿件討論的基礎上研究復合材料桁架結構熱變形（如圖1所示）。首先利用有限元軟件建立復合材料桁架結構的有限元模型，桁架結構接頭的材料參數(shù)見表4，然后桁架結構施加底端固支邊界條件和均勻的溫度體載荷T=160 ℃，參考溫度T0=0 ℃，計算復合材料桁架結構的熱變形。

復合材料桿件的熱變受鋪層層數(shù)和單層厚度形影響較小，因此重點分析改變不同位置處桿件的纏繞角度，比較復合材料桁架結構的熱變形，最終得出復合材料桁架結構熱變形較小的復合材料桿件纏繞方案：

將上述纏繞方案帶入復合材料桿件，桁架結構底端固支，施加溫度載荷T=160℃，參考溫度T0=0℃，利用有限元軟件計算桁架結構的熱變形并得到復合材料桁架結構、、三個方向的節(jié)點位移等值線圖，如圖2～圖4所示。

分析圖2至圖4發(fā)現(xiàn)：在上述復合材料桿件的纏繞方案下，分析復合材料桁架結構的熱變形，復合材料桁架結構左右兩側八個接頭x方向的熱變形基本為零，復合材料桁架結構頂端四個接頭y方向的熱變形基本為零，復合材料桁架結構前后八個接頭z方向的熱變形基本為零，達到了我們所想要實現(xiàn)的結果。

3 結語

本文研究了復合材料桿件的纏繞角度、鋪層層數(shù)、單層厚度對其熱變形的影響，得出鋪層層數(shù)和單層厚度對復合材料桿件熱變形的影響較小，纏繞角度對復合材料桿件熱變形的影響較大。在此基礎上，通過改變不同位置處復合材料桿件的纏繞角度，得出了使復合材料桁架結構熱變形比較小的桿件纏繞方案，為以后的復合材料桁架結構設計和應用提供了參考依據(jù)。

參考文獻

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