二维点阵复合材料结构的制备与性能

论文摘要

本文以卫星承力筒为研究对象,采用点阵复合材料进行筒状结构设计,采用软模缠绕工艺制备点阵复合材料承力筒结构,对该完整结构的轴向压缩性能进行测试分析。采用有限元方法建立了二维点阵复合材料结构分析模型,对点阵圆筒结构的整体承压能力进行了分析。结果表明,螺旋向肋条受压缩应力,环向肋条受拉伸应力;环向肋条上出现了较大的剪切应力;点阵结构最可能的失效模式是螺旋向肋条的压缩破坏和环向肋条的剪切破坏。研究了点阵结构尺寸参数对承力筒载荷质量比和刚度的影响规律,得到了点阵圆筒结构的优化尺寸参数。分析结果表明,当缠绕角在30°到36°之间时,点阵圆筒结构的载荷质量比和刚度最大;将圆筒底面圆周长20等分布置螺旋向肋条时,载荷质量比达到最大值;点阵圆筒结构的最大压缩载荷和刚度都随肋条高度或宽度的增加而线性增加。对于给定直径和高度的圆筒,优化的点阵结构参数为:缠绕角φ=30°,肋条高度和宽度满足H≥b,肋条间距为底面圆周长20等分时的间距值。探索了二维点阵复合材料筒状结构的制备工艺,采用硅橡胶软模上的缠绕法制备了点阵圆筒结构。研究了树脂体系、缠绕纱线等对点阵结构承力筒制备质量的影响,得到了最佳工艺参数。制备了与点阵圆筒结构纤维体积含量一致的复合材料单向板,测试了其拉伸、压缩、弯曲和剪切性能。测试结果表明,Vf=22.2%的碳纤维复合材料单向板的纵向拉伸强度为871.6 MPa,纵向拉伸模量为50.0GPa,纵向压缩强度为555.8MPa,弯曲强度为630 MPa,面内剪切强度为47.3MPa,为点阵圆筒结构的设计提供了主要材料性能参数。对制备的点阵复合材料圆筒结构整体试样进行了轴向压缩性能测试。结果表明,碳纤维点阵复合材料圆筒结构的最大压缩载荷、载荷质量比和刚度大大高于玻璃纤维点阵复合材料圆筒结构,碳纤维点阵复合材料圆筒结构的最大压缩载荷达183.77kN,载荷质量比为69.35kN/kg,刚度为71.94kN/mm;试样的破坏模式主要是螺旋向肋条的分层破坏和弯曲折断破坏。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 点阵结构及其特点
• 1.1.1 二维点阵结构的概念和性能特点
• 1.1.2 点阵复合材料结构的研究现状
• 1.2 二维点阵复合材料结构的制备工艺
• 1.3 二维点阵复合材料结构的数值分析
• 1.3.1 点阵复合材料结构分析模型
• 1.3.2 有限单元法及其在点阵复合材料结构设计中的应用
• 1.4 二维点阵复合材料结构的性能测试
• 1.5 本文的选题依据和主要研究内容
• 第二章 二维点阵复合材料结构的有限元分析
• 2.1 二维点阵复合材料结构整体承载能力的有限元分析
• 2.2 二维点阵复合材料结构参数研究
• 2.2.1 缠绕角φ对点阵结构载荷质量比和刚度的影响
• 2.2.2 肋条宽度b 和肋条高度H 对点阵结构载荷质量比和刚度的影响
• 2.2.3 肋条间距a 对点阵结构载荷质量比和刚度的影响
• 2.3 本章小结
• 第三章 二维点阵复合材料结构缠绕成型工艺
• 3.1 硅橡胶软模制备
• 3.1.1 硅橡胶软模浇铸温度和固化制度的确定
• 3.1.2 硅橡胶软模成型之木模的制备
• 3.1.3 硅橡胶软模的制备
• 3.2 硅橡胶软模缠绕成型二维点阵复合材料结构
• 3.2.1 试验设备及原材料
• 3.2.2 硅橡胶软模缠绕成型二维点阵复合材料结构
• 3.3 结果与讨论
• 3.4 本章小结
• 第四章 二维点阵复合材料结构性能测试
• 4.1 复合材料单向板力学性能测试
• 4.1.1 复合材料单向板试样制备
• 4.1.2 复合材料单向板试样力学性能测试结果与分析
• 4.2 二维点阵复合材料圆筒结构轴向压缩性能测试
• 4.2.1 二维点阵复合材料圆筒结构轴向压缩试验
• 4.2.2 二维点阵复合材料圆筒结构轴向压缩试验结果与分析
• 4.3 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 全文总结
• 5.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士期间学术论文发表情况
• 附录