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| 有限元分析 |
提高卫星、大型航天器等承力结构的有效载荷功能是目前国内外该领域共同的发展趋势，桁架接头是桁架结构中连接杆件、承力传力的重要构件，其结构复杂多变，多在高低温交变的环境中工作，且在高真空中还要受到电子、质子、紫外线辐照等影响，因此对形状复杂的主承力复合材料接头综合力学性能的要求也不断提高，被广泛应用于各种行业，如桥梁等．美国、欧洲以及日本航天局利用纤维缠绕、编织、机织、针织等工艺均在积极研制不同性能的纤维增强型复合材料接头。
与铺层复合材料相比，3D机织复合材料不存在层的概念，其在厚度方向的增强结构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；耐疲劳和阻尼减震性好，具有更高的冲击韧性和损伤阻抗；热膨胀系数可以接近于零，更适合于高低温交变环境下尺寸要求稳定的结构。复合材料接头设计是通过确定接头的基本参数保证其承载能力和可靠性，对于结构形状较为复杂的多向圆管相贯型接头，在相贯部位无法直接测得所需的应力值和应力分布情况，有必要对其承载性能进行模拟有限元分析。
本文采用有限元软件ANSYS对3D机织复合材料多向接头所在桁架总体进行模拟，通过对比分析得出带有衬经的机织角联锁复合材料为机织多向接头的最佳材料，并补充了实测中无法获取的数据。
图1是多向接头的三维示意图，可以看出，该接头有3个圆管与中间的主体相连，以及与主体相连的法兰盘，法兰盘上有9个螺栓孔，实测中在多向接头九个不同位置贴了应变片，应变片编号及位置如图所示。
多向接头由T70012K碳纤维通过整体机织的方法织造而成，再采用树脂传递膜塑技术(RTM)制成复合材料，树脂为BS-2环氧树脂．具体组织结构如图2所示。
由图2可以看出，这是一种带有衬经的三维角联锁结构，结构中包括3种纱线成分，经纱、纬纱和衬经纱。依靠经纱的弯曲交织，将所有纱线连接成一个不分层的整体。多向接头的3个圆管的纵向与经纱方向平行，3个圆管的环向与纬纱方向平行。
多向接头结构复杂，在桁架中属于下接头。为确保模拟的准确性，对多向接头所在的桁架总体进行受力分析。桁架总体模型及下接头编号如图3所示，图中坐标系位置为A接头，顺时针旋转依次为B、C、D接头。
采用建模软件UGNX7.0绘制下接头及其所在桁架总体模型，导入到有限元软件ANSYS中。模型在进行分析之前需要进行一定的预处理：①粘结处理，使用布尔操作中的vglue命令将桁架中所有连接件进行粘结，以实现现实中胶接的作用；②下接头分块处理，使用布尔操作中的divide命令将4个下接头分别分块，每个下接头分成5块，包括3个圆管、主体以及法兰盘；③建立局部坐标系，在进行分块处理的同时建立局部坐标系，并赋予接头及桁架各部位相应的材料属性。
树脂基碳纤维三维角联锁结构复合材料属正交各向异性材料，其9个材料弹性常数是借助于文献的计算机软件计算获得，具体计算结果见表1所示。制件中的所有经纱方向(圆管和杆件纵向)的弹性模量为Exx，纬纱方向(圆管和杆件环向)的弹性模量为Eyy，壁厚方向的弹性模量为Ezz。
