碳纖維IsoTruss點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)抗壓分析＊

張甲瑞，夏偉

（1.重慶工商職業(yè)學(xué)院智能制造與汽車學(xué)院，重慶 401520；2.重慶渝電大資產(chǎn)經(jīng)營(yíng)管理有限責(zé)任公司，重慶 401520）

引言

輕量化是實(shí)現(xiàn)汽車節(jié)能減排最有效的技術(shù)手段之一，復(fù)合材料的使用是整車輕量化的主要途徑之一,點(diǎn)陣材料是一種結(jié)構(gòu)-功能一體化材料，其主要結(jié)構(gòu)特征是孔的有序排列，是一種典型的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)。將復(fù)合材料與點(diǎn)陣材料結(jié)合，將使點(diǎn)陣復(fù)合材料更大程度實(shí)現(xiàn)輕質(zhì)高強(qiáng)的性能[1]。

IsoTruss是一種通過(guò)桿件的連接和周期性分布的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，使用碳纖維制備IsoTruss點(diǎn)陣材料具有優(yōu)異輕質(zhì)性能。據(jù)實(shí)驗(yàn)研究表明，在等壓縮強(qiáng)度下，用碳纖維復(fù)合材料制成的IsoTruss點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)比鋼結(jié)構(gòu)的重量輕了91%，比鋁合金結(jié)構(gòu)重量輕了73.3%，比碳纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料管的重量輕了44%。因此，IsoTruss點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)在輕量化應(yīng)用領(lǐng)域，如汽車車身等具有廣泛地應(yīng)用前景[2]。本文主要通過(guò)有限元數(shù)值模擬計(jì)算不同節(jié)點(diǎn)形式的IsoTruss結(jié)構(gòu)抗壓性能，獲得抗壓效果最好的結(jié)構(gòu)形式。

1 IsoTruss結(jié)構(gòu)特征

IsoTruss點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)主體形似管材，由縱向桿和螺旋纏繞的螺旋桿構(gòu)成。縱向桿貫穿整個(gè)IsoTruss點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，而螺旋桿沿著軸向方向以折線形式纏繞。根據(jù)有無(wú)外圍螺旋桿可以將IsoTruss點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)分為單重和雙重。如圖1所示[2]，8節(jié)點(diǎn)單重IsoTruss點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)比8節(jié)點(diǎn)雙重IsoTruss點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)在俯視圖方向上少了個(gè)外圍螺旋部分，但中間部分都是由兩個(gè)四邊形重疊形成，交點(diǎn)處為8條縱向桿。8節(jié)點(diǎn)單重IsoTruss點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)與8節(jié)點(diǎn)雙重IsoTruss點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)在制作時(shí)的纏繞區(qū)別在于8節(jié)點(diǎn)雙重IsoTruss點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)是以單重IsoTruss點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，沿節(jié)點(diǎn)進(jìn)行桿的二次纏繞，形成雙重螺旋桿系，且縱向桿穿過(guò)節(jié)點(diǎn)，根據(jù)橫截面節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)不同，可以將IsoTruss點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)分為6節(jié)點(diǎn)、8節(jié)點(diǎn)、10節(jié)點(diǎn)和12節(jié)點(diǎn)等。

2 不同節(jié)點(diǎn)IsoTruss點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)抗壓分析

根據(jù)IsoTruss結(jié)構(gòu)的類型，分別建立6節(jié)點(diǎn)單元、8節(jié)點(diǎn)單重單元、8節(jié)點(diǎn)雙重單元和10節(jié)點(diǎn)單元三維模型，模型中每個(gè)桿件直徑均為3mm，外縱向桿所在的半徑R為43mm，其中模型的材料采用碳纖維材料（T300），同時(shí)為了便于與傳統(tǒng)材料作對(duì)比，建立了一個(gè)傳統(tǒng)管材模型。將上、下壓盤定義成剛體，對(duì)下壓盤施加固定約束，上壓盤施加均布的靜載荷200N。5種試件的抗壓仿真結(jié)果云圖如圖2所示。

結(jié)果顯示位移最大處為施加載荷端，5個(gè)試件中6節(jié)點(diǎn)的位移最大，且6節(jié)點(diǎn)的縱桿所產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變最大，表明其抗壓性能是最弱的。因此從抗壓仿真結(jié)果云圖可以得出5種材料的抗壓綜合力學(xué)性能為：

管材〉8節(jié)點(diǎn)雙重〉10節(jié)點(diǎn)〉8節(jié)點(diǎn)單重〉6節(jié)點(diǎn)

但是從材料的質(zhì)量屬性角度看，在滿足性能要求的前提下，8節(jié)點(diǎn)雙重IsoTruss點(diǎn)陣材料的抗壓力學(xué)性能綜合表現(xiàn)更佳。8節(jié)點(diǎn)雙重IsoTruss點(diǎn)陣材料在質(zhì)量較低的情況下能表現(xiàn)出更好的抗壓力學(xué)性能。

3 小結(jié)

本文通過(guò)分析IsoTruss點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)特征，建立了不同節(jié)點(diǎn)形式的IsoTruss三維模型，通過(guò)有限元分析得出了8節(jié)點(diǎn)雙重IsoTruss點(diǎn)陣材料的抗壓力學(xué)性能綜合表現(xiàn)最佳，為其進(jìn)一步應(yīng)用研究提供了一定參考。