金属-复合材料组合空间桁架结构优化设计.pdf
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1、 设计计算 新技术新工艺 设计与计算3 1 金属-复合材料组合空间桁架结构优化设计*邵 将,康 鹏,朱 晨,徐兴盛(中国电子科技集团公司第二十二研究所 机械工艺中心,山东 青岛 2 6 6 1 0 7)摘 要:为了满足大阵面天线面对支撑系统刚度及介电常数的要求,构建了一种金属材料与复合材料组合使用的大跨度空间桁架结构,两端桁架结构采用完全的金属型材焊接形式,对材料介电常数有要求的位置采用复合材料。通过有限元软件对结构进行模拟分析,研究了金属桁架弦杆与复合材料连杆的截面尺寸、玻璃钢复合材料连杆的布置形式及腹杆高度对组合空间桁架结构的弯曲变形及其内力的影响。结果表明:玻璃钢复合材料提高腹杆高度对控
2、制桁架结构的变形及应力效果最为显著,提高复合材料纵向连杆截面尺寸对降低变形效果不显著,但会增大结构应力,腹杆、横向连杆截面尺寸增大会加大桁架结构变形与应力。关键词:组合桁架;复合材料;金属材料;大跨度;优化设计;仿真分析中图分类号:T P 1 2 2 文献标志码:AO p t i m i z a t i o n D e s i g n o f M e t a l-c o m p o s i t e M a t e r i a l s S p a c e T r u s s S t r u c t u r eS HAO J i a n g,KAN G P e n g,Z HU C h e n,X
3、 U X i n g s h e n g(M e c h a n i c a l D e s i g n C e n t e r,T h e 2 2 n d R e s e a r c h I n s t i t u t e o f C h i n a E l e c t r o n i c s T e c h n o l o g y G r o u p C o r p o r a t i o n,Q i n g d a o 2 6 6 1 0 7,C h i n a)A b s t r a c t:I n o r d e r t o m e e t t h e r e q u i r e m
4、 e n t s o f s t i f f n e s s a n d d i e l e c t r i c c o n s t a n t o f t h e s u p p o r t s y s t e m f o r l a r g e a r r a y a n-t e n n a s,w e p r o p o s e d a l a r g e s p a n s p a t i a l t r u s s s t r u c t u r e u s i n g a c o m b i n a t i o n o f m e t a l a n d c o m p o s i
5、 t e m a t e r i a l s.b o t h e n d s o f t h e t r u s s s t r u c t u r e w e r e a l l m e t a l s h a p e s w e l d e d,a n d c o m p o s i t e m a t e r i a l s w e r e u s e d w h i c h a r e q u i r e m e n t f o r t h e d i e l e c t r i c c o n s t a n t o f t h e m a t e r i a l w a s n e
6、 e d e d.W e a n a l y z e d t h e s t r u c t u r e b y u s i n g f i n i t e e l e m e n t s o f t w a r e,s t u d i e d t h e c r o s s-s e c t i o n a l d i m e n s i o n s o f m e t a l t r u s s c h o r d s a n d c o m p o s i t e c o n n e c t i n g r o d s,i n c l u d i n g t h e a r r a n g
7、 e m e n t o f c o m p o s i t e c o n n e c t i n g r o d s,a n d t h e i n f l u e n c e o f w e b h e i g h t o n t h e b e n d i n g d e f o r m a t i o n a n d i n t e r n a l f o r c e o f s p a c e t r u s s e s.T h e r e s u l t s s h o w e d t h a t i n-c r e a s i n g t h e h e i g h t o f
8、 t h e w e b m e m b e r h a d t h e m o s t s i g n i f i c a n t e f f e c t o n c o n t r o l l i n g t h e d e f o r m a t i o n a n d s t r e s s o f t h e t r u s s s t r u c t u r e.A n d i n c r e a s i n g t h e c r o s s-s e c t i o n a l s i z e o f c o m p o s i t e c o n n e c t i n g r
9、 o d s h a d n o s i g n i f i c a n t e f f e c t o n r e d u c i n g d e f o r m a-t i o n,b u t i t i n c r e a s e d s t r u c t u r a l s t r e s s.I n c r e a s i n g t h e c r o s s-s e c t i o n a l s i z e o f t h e t r a n s v e r s e c o n n e c t i n g r o d o f t h e w e b m e m-b e r w
10、 o u l d i n c r e a s e s t r u c t u r e d e f o r m a t i o n a n d s t r e s s.K e y w o r d s:t r u s s s t r u c t u r e,c o m p o s i t e,m e t a l l i c m a t e r i a l,l a r g e s p a n,o p t i m i z a t i o n d e s i g n,s i m u l a t i o n a n a l y s i s 玻璃钢复合材料与金属材料(碳素钢)组合的空间桁架结构在国内大型天线
11、面支撑结构中正得到越来越普遍的应用,选择成型工艺好、各向同性且成本较低的金属型材空间桁架结构作为天线面支撑结构可有效地解决大跨度柔性天线面的变形问题,但是全金属材料在特定位置的材料介电常数不满足技术要求,玻璃钢复合材料介电常数一般介于2.34之间,可满足介电常数技术要求。此外,玻璃钢复合材料性能具有各向异性的特点,抗剪强度低,但是比强度高,轴向方向承载能力强,由于桁架结构中各构件主要承受轴向力,可充分发挥复合材料构件的材料性能,此时,可靠的连接件对空间桁架整体力学性能起着重要作用。对于玻璃钢复合材料-金属材料组合空间桁架,该结构的力学性能研究可有效地指导其在实践中更好的应用。赵启林、高建岗等介
12、绍了复合材料金属组合桁架桥的设计计算现状,并提出了一种用于复合材料连接的预紧力齿连接技术。杨军等针对某F R P-金属组合大跨度空间桁架结构扭转刚度不足的问题,提出了一种强化方法,并对其扭转刚度进行了理论计算与软件仿真1-4。本文综合考虑天线面的技术指标及不同材料特性等因素,选择玻璃钢复合材料-金属材料(碳素钢)组合的大跨度空间桁架结构作为天线面的支撑结构,该结构根据金属材料、玻璃钢材料各自特性合理布置构型,可充分发挥不同材料的性能,有效抵抗作用在结构上的重力载荷、风雪荷载、检修荷载等,满足天线面技术指标要求。在给出优化前大跨度空间桁架结构后,通过有限元软件建立模型并进行力学分析,探讨了金属桁
13、架弦杆与玻璃钢复合材料连杆的截面尺寸、玻璃钢复合材料连杆的布置形式及腹杆高度对整体空间桁架结构的变形影响规律,提出了适合此类应用场景的最优结构。新技术新工艺 2 0 2 3年 第1 0期 3 2 新技术新工艺 设计与计算1 工程概况在某天线项目中提出了一种大跨度交趾型空间天线面,示意图如图1所示。天线面组成包含2个相互独立的子天线面,天线面采用直径为3 mm的不锈钢钢丝焊接组成,其平面投影外形尺寸为1 7.8 m0.8 m,在空间内平行布置两层,间距为0.4 m。该天线面要求十级风下可正常工作,正常工作时天线面最大变形1 0 0 mm,交趾处天线面投影面之外的结构用材料应满足介电常数5。图1
14、天线面示意图2 大跨度空间桁架结构介绍本文的研究对象为跨度1 7.8 m、最大宽度0.8 4 m的复合材料-金属材料组合变截面空间桁架结构(见图2),该结构采用模块化设计,两侧结构形式相同,由金属型材焊接组成的梯形及矩形空间桁架结构螺装组成,梯形空间桁架短边宽度为3 5 0 mm,长边宽度为8 4 0 mm,总长为1 5 0 0 mm,横梁、纵梁布置间隔为7 5 0 mm,跨高为4 0 0 mm。两侧面布置斜腹杆,其中斜腹杆受力形式采用拉-压交替布置。矩形空间桁架宽度为8 4 0 mm,总长度为6 4 0 0 mm,横梁、纵梁布置间隔为8 0 0 mm,斜腹杆布置形式与梯形空间桁架布置形式相同
15、。中间交趾结构由4副结构形式、尺寸相同的通过金属型材焊接组成的矩形平面桁架结构呈交趾状布置组成,布置间距为2 1 0 mm,单 副 平 面 桁 架 宽 度 为5 0 mm,长 度 为1 8 0 0 mm,跨高为4 0 0 mm。由上弦杆、下弦杆、腹杆组成。横向连杆、纵向连杆材料为玻璃钢复合材料,长度分别为3 0 0和4 0 0 mm。横向连接桁架为平面结构,宽度为5 0 mm,长度为2 0 0 0 mm,跨高为4 0 0 mm。由法兰板、上弦杆、下弦杆、抱箍、腹杆组成,材料均选择玻璃钢复合材料,不同结构间连接形式为粘接。各构件的截面尺寸及材料参数见表1。图2 组合空间桁架结构示意图表1 空间桁
16、架组成结构截面尺寸及材料参数组成单元构件类型截面形状材料弹性模量/G P a泊松比梯形空间桁架上弦杆下弦杆横梁腹杆斜腹杆Q 3 5 52 1 00.3矩形空间桁架上弦杆下弦杆横梁腹杆斜腹杆 Q 3 5 52 1 00.3矩形平面桁架上弦杆下弦杆腹杆 Q 3 5 52 1 00.3横向连杆横向连杆纵向连杆纵向连杆 玻璃钢3 60.3 53 有限元优化模型建立及前处理金属-复合材料组合变截面空间桁架作为天线面的支撑部件主要承受自身重力载荷、天线面载荷及风载荷,空间桁架两侧与基座采用双排螺栓组连接,故而空间桁架可视作两端固支的梁结构。空间桁架内部各模块之间采用螺栓联接。金属模块内部各构件通过焊接方式
17、连接,复合材料平面桁架各构件通过抱箍粘接固定,复合材料横向连杆及纵向连杆通过螺栓与两侧金属构件联接,因此,空间桁架内各金属构件及复合材料平面桁架内各构件选择梁1 8 8单元进行模拟5-8。Q 3 5 5材料为各向同性材料,参数选择无需考虑其方向性,复合材料为各向异性材料,其力学参数与加工工艺、纤维铺设方向、基层材料选择关系密切,不同方向间性能差距较大。本文研究的空间桁架结构内玻璃钢复合材料构件内承受的弯矩较小,主要承受轴向拉力或压力,因此复合材料弹性模量取其轴向方向的数值进行有限元计算9-1 0。本文主要研究玻璃钢复合材料抗弯截面系数、布置形式、局部玻璃钢复合材料桁架的几何构型对组合空间桁架结
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