基于圆环和等强度截面的纤维缠绕环形容器设计与分析

复合材料环形压力容器以其特有的结构形状得到了日益广泛的应用.目前关于纤维缠绕环形容器的研究主要局限于测地线缠绕圆环截面容器.由于环形容器的结构效率取决于它的管截面形状,所以使用圆环截面的环形容器无法实现等强度结构.本文提出了分别使用圆环截面和等强度截面的环形压力容器设计方法,并对二者进行了比较.基于最小应变能准则,得到了缠绕层铺设角和环壳内力间的最优化关系.根据网格理论,考虑截面缠绕层的厚度变化,导出了圆环容器缠绕的最优线型.引入应力比,分析了环壳上纤维的应力分布.描述了等强度经线曲线的一般形状,分析了轴向截荷对等强度曲线形状的影响.计算结果表明当轴向载荷达到一定数值时,等强度曲线能够实现闭合形成环形容器.进一步计算和比较了两种截面形状的环形压力容器在不同相对弯曲半径下的结构质量.研究表明,使用等强度截面设计的环形容器比使用圆环截面的环形容器要轻的多.通过等强度截面设计,环形压力容器的结构性能得到了明显的提高.     

纤维缠绕复合材料环形容器设计优化(英文)

纤维缠绕环形容器可充分利用空间,节省结构质量和消除系统质心漂移,目前在很多工业领域中发挥着日益重要的作用。本文基于复合材料层合理论和测地线缠绕原理,提出了纤维缠绕环形压力容器的线型优化设计方法。应用微分几何,导出了圆环面上测地缠绕轨迹和纤维不架空判据。以初始缠绕角和缠绕层厚度为变量,对结构重量进行最小化设计,得到了对应于不同管径比的优化缠绕线型。对优化线型进行了计算机缠绕仿真,并给出了缠绕铺层的各向正轴应力分布。结果表明,优化设计的缠绕线型模式精确可靠,满足纤维缠绕的基本要求。纤维缠绕角度大小更趋于合理,从而能充分发挥缠绕结构的力学性能,减经系统重量,使优化得到的环形容器结构性能比传统测地线缠绕环形容器有很大提高。本文的设计计算方法可直接用于复合材料环形气瓶的初步设计。     

考虑纤维体积含量变化的纤维缠绕厚壁柱形结构的等强度设计

纤维缠绕厚壁柱形管道或容器在缠绕张力作用下会使缠绕纤维层的应力状态不断变化,形成沿壁厚力学性能非均匀的结构。依据缠绕过程中的纤维束应力状态分析和纤维束本构关系,获得了纤维体积含量与所受应力状态的关系。基于正交各向异性本构关系和双层筒模型的离散叠加法,建立了给定缠绕张力确定纤维缠绕厚壁柱形结构剩余张力的计算方法,并计算了等张力缠绕纤维层的纤维体积含量沿壁厚的分布。利用Tsai-Wu失效准则研究了纤维体积含量非均匀的厚壁柱形结构的纤维层强度。研究表明:缠绕工艺使内层纤维体积含量和强度均略高于外层,纤维缠绕厚壁柱形结构的强度分析和设计时应考虑这种影响;利用变化的缠绕张力设计可以实现强度比沿壁厚的均匀分布。     

内外压作用下纤维缠绕厚壁柱形容器的强度

研究各向同性材料内胆外对称均衡缠绕纤维的厚壁圆柱形容器在内外压力作用下的应力和强度特性。采用正交各向异性本构关系和轴对称厚壁筒理论, 获得纤维层和内胆的应力, 以及纤维方向三向应力的解析公式。利用Hoffman和Tsai-Wu失效准则研究薄壁筒理论和三维应力对应的强度随壁厚和缠绕角的分布规律。计算比较了有、 无内胆的纤维缠绕容器的强度随缠绕角的变化情况。利用ANSYS软件的层合单元SOLID191建立的模型给出的纤维向应力和强度比与本文理论结果吻合很好。研究发现: 基于层合板理论的二维纤维向应力公式给出了不准确的纤维向应力, 不准确的横向应力造成容器纤维层的强度值偏低; 不同的纤维类型和缠绕角, 厚度-半径比对强度比的影响不同; 基于二维应力分析的薄壁筒理论给出的纤维层强度比小于三维分析的结果; 缠绕角对无内胆的缠绕容器强度比的影响比有内胆的更敏感。      

平纹机织叠层复合材料飞轮弹性参数预测及测量

针对纤维缠绕复合材料高速飞轮径向分层问题,提出环向和径向同时强化的圆环平纹织物结构,环向纱束为单一纤维束连续织造。建立了“平头梭形”截面的单胞模型,兼顾双向纱束轮廓差异。基于扇形单胞和矩形单胞结构相似性,定义了“等参数”织造约束条件。采用体积平均法预测圆环织物扇形单胞等效弹性参数,并采用轮缘径向多层分割模型,分析了机织飞轮旋转载荷下的应力和变形特征及其影响参数,轮缘理论计算位移与圆标记法径向变形测量结果一致。机织复合材料飞轮测试极限圆周速度为889 m/s,储能密度为63.7 Wh/kg。理论分析和实验表明,环形织构的双强化理论可行,能够获得比缠绕飞轮更高的旋转速度。      

纤维缠绕环形压力容器线型设计与仿真

纤维缠绕环形容器要求满足线型稳定和结构优化两个条件.基于微分几何理论,提出了用于复合材料环形压力容器成型的纤维缠绕线型,分析了芯模和吐丝嘴的缠绕速比,给出了缠绕参数优化设计方法.在对优化线型进行分析的基础上,模拟环形容器的纤维缠绕过程,实现了环形容器成型的计算机优化与图形仿真.通过应用缠绕仿真系统,可以检验线型模式的正确性和可行性.结果表明,优化设计的线型模式精确可靠,满足纤维缠绕的基本要求,为微机控制环形容器缠绕奠定了理论基础.     

基于非测地线纤维缠绕压力容器线型设计与优化

为较好地满足纤维轨迹路径的稳定与均布,与传统测地线缠绕模式不同,提出了非测地线纤维缠绕压力容器的纤维线型方程,给出了非测地线型模式和缠绕参数的最优化设计方法,分析了环形缠绕机芯模和丝嘴的相对缠绕速比,结合均匀布满条件对优化线型进行了调整。将计算机仿真技术应用到环形容器的缠绕线型设计与验证中,研究了CAD系统各组成模块的功能及实现方法,对非测地线缠绕成型进行了计算机图形仿真与检验。结果表明:设计得到的非测地线满足缠绕工艺的基本要求;采用最优化的非测地线模式进行缠绕,可使非测地线缠绕角集中在筒形压力容器的最佳缠绕角55°附近,有效提高了压力容器的结构承载性能。      

纤维缠绕复合材料壳体刚度衰减模型数值模拟

应用微分几何理论,推导出纤维缠绕复合材料壳体的非测地线缠绕轨迹、包角方程及绕丝头运动方程,得到缠绕过程的动态仿真模拟数据。将封头处变化的缠绕角、厚度等实际工艺参数直接用于壳体结构的理论分析。采用叠层的增量本构关系,模拟层合板壳结构的损伤过程,建立了损伤后刚度衰减模型及刚度退化准则,并通过实验确定了刚度衰减系数。应用此模型对纤维缠绕复合材料压力容器进行了数值分析。结果表明:纤维缠绕复合材料压力容器封头处损伤会导致其弯曲刚度降低,这是影响轴向变形的重要因素。      

缠绕图型对纤维缠绕复合材料力学性能影响的有限元模拟

针对纤维缠绕复合材料结构中存在纤维束交叉起伏和铺层走向交替的特点,建立了一种分析缠绕图型对缠绕复合材料结构力学性能影响的有限元方法。采用ABAQUS有限元软件,分析了考虑纤维束交叉起伏和铺层走向交替后缠绕复合材料圆柱壳的应力、应变分布规律,并且研究了缠绕图型对缠绕圆柱壳屈曲临界载荷的影响。结果表明:采用层合板模型计算得到的圆柱壳的应力分布比较均匀;考虑纤维束交叉起伏和铺层走向交替后,缠绕复合材料圆柱壳的应力不再均匀分布,应力云图出现规则分布的菱形图案,在菱形区域中纤维交叉起伏和铺层走向交替处的应力有明显的波动。本实验有限元模型中的菱形特征单元可以反映缠绕复合材料纤维交叉起伏和铺层走向交替的实际情况。     

缠绕图型对纤维缠绕复合材料力学性能影响的有限元模拟

针对纤维缠绕复合材料结构中存在纤维束交叉起伏和铺层走向交替的特点,建立了一种分析缠绕图型对缠绕复合材料结构力学性能影响的有限元方法。采用ABAQUS有限元软件,分析了考虑纤维束交叉起伏和铺层走向交替后缠绕复合材料圆柱壳的应力、应变分布规律,并且研究了缠绕图型对缠绕圆柱壳屈曲临界载荷的影响。结果表明:采用层合板模型计算得到的圆柱壳的应力分布比较均匀;考虑纤维束交叉起伏和铺层走向交替后,缠绕复合材料圆柱壳的应力不再均匀分布,应力云图出现规则分布的菱形图案,在菱形区域中纤维交叉起伏和铺层走向交替处的应力有明显的波动。本实验有限元模型中的菱形特征单元可以反映缠绕复合材料纤维交叉起伏和铺层走向交替的实际情况。     

硬质合金内衬的组合超高压筒体优化设计

研究了硬质合金内衬的多层组合超高压筒体的强度优化设计。以等强度理论为设计原则,建立了以各外层径比(外径与内径的比值)为变量,容器总径比为约束,弹性承压能力最大为目标的优化设计数学模型。应用Lagrange乘子法进行优化,得到了各层最优径比公式及最大内压公式。在此基础上,从叠加原理出发,推导了不同材料多层容器的层间缩套压力及过盈量的最优精确解。最后通过实际算例与分析表明,硬质合金内衬的组合容器需要更大的缩套压力,对于三层容器,中间层和内衬主要承担径向压应力,而外层主要承担周向拉应力。     

钛内衬复合材料环形气瓶结构设计与优化EI北大核心CSCD

根据微分几何,推导环形气瓶测地线缠绕轨迹以及缠绕角应满足的稳定缠绕条件,并针对不同切点数进行线型轨迹仿真。基于有限元分析,针对钛合金内衬环形气瓶的初始缠绕角及缠绕层数进行优化设计,并评估对比有、无环向补强层的环形气瓶承载能力。结果表明:本文设计的测地线轨迹精确可靠,很好地满足环形气瓶的缠绕工艺性。优化设计的缠绕参数既满足工艺可缠性,又能提高环形气瓶的结构性能。此外,有环向补强层的气瓶爆破强度提高了14%,钛合金内衬屈服强度提高了24.8%。因此,采用环向补强层有利于进一步提高环形气瓶的承载性能。水压实验结果表明本文设计方法预测的变形和爆破压力与实验值吻合良好。     

纤维缠绕聚合物基复合材料压力容器的可靠性设计

为对纤维缠绕聚合物基复合材料( FWRP) 压力容器进行可靠性设计和安全测评, 引入可靠性理论; 应用统计学原理, 以同一失效概率为标准进行FWRP 压力容器结构设计, 以取代目前应用的传统安全系数法设计。根据国家标准制备8 个玻璃纤维缠绕复合材料( GFWRP) 压力容器, 通过实验获得纤维强度、缠绕角、几何尺寸、爆破压力等随机变量特征值。GFWRP 压力容器结构可靠性设计值(纤维缠绕壁厚) 与实验结果基本吻合, 并明显小于传统安全系数法设计值。通过对不同纤维强度随机分布可靠性设计理论计算结果的比较, 确知纤维强度的离散程度是FWRP 压力容器可靠性设计的重要影响因素。传统安全系数设计法只考虑纤维强度(均值) 大小, 而无视纤维强度随机分布特征值对FWRP 压力容器结构抗力的影响, 显然是不合理的。可靠性设计实现了安全性与经济性的有效统一。      

高转速复合材料圆柱壳结构可靠性优化设计

为解决高转速下复合材料圆柱壳的结构可靠性问题, 推导了高速旋转状态下复合材料圆柱壳的应变方程, 并以此为基础导出了圆柱壳各层轴向、 环向和剪切应力以及相应的主轴应力, 给出了各层应力随角度层的角度和厚度的变化规律。然后以各层强度可靠度大于0.99为目标函数, 对复合材料圆柱壳的结构参数进行了优化设计。      

用应力波技术对配橡胶内衬的复合材料板壳进行无损检测

配橡胶内衬的复合材料板壳可以模拟宇航飞行器的纤维缠绕压力容器。本文提出用应力波技术(Stress wave)对复合材料构件的损伤进行无损检测,并实际检测了配橡胶内衬的复合材料板壳内衬与复合材料缠绕层之间、内衬与内衬之间的损伤.绘出了损伤区的幅频特性曲线,确定出损伤区在橡胶内衬的分布情况。最后,作者对某型火箭发动机的缩小比例圆柱壳体进行了实际检测,并获得了满意结果。     

具有金属内衬复合材料纤维缠绕容器固化过程的数值模拟

基于固化反应动力学、热传导和复合材料层合理论, 采用了有限元分析方法, 对具有金属内衬的复合材料纤维缠绕压力容器在固化工艺过程中的温度和热应力分布及其变化规律进行了数值模拟。通过一典型容器数值分析, 表明在固化工艺过程中, 中容器内部的所有应力分量具有同时达到峰值的特征, 其中应力分量的峰值出现在固化降温阶段的初期。提出了数值模拟的方法和分析结论对复合材料结构设计师和工艺师合理制订金属内衬复合材料纤维缠绕容器的工艺标准具有一定的参考价值。      

铝内胆碳纤维全缠绕气瓶铺层设计

铝内胆碳纤维全缠绕气瓶的铺层设计主要基于网格理论,但该方法仅能得出满足爆破强度的参数,不能满足对铝内胆疲劳性能的要求,因而难以适应气瓶产品的设计需要.将网格理论与铝合金S-N曲线结合,提出一种基于铝合金疲劳寿命设计纤维缠绕层厚度的新方法.依据该方法给出的缠绕层厚度构建有限元模型,通过数值模拟确定合理的自紧力,计算不同载荷下的气瓶应力分布,根据爆破试验数据,利用有限元模型预测气瓶的爆破强度、失效位置及失效形式.结果 表明:该设计方法可便捷地得出满足性能要求的气瓶缠绕层厚度;自紧力合理值可根据设计预期通过有限元分析得出;疲劳载荷下的缠绕层应力设计值与模拟值,偏差在允许范围内;运用该方法设计的气瓶能够同时满足疲劳和爆破性能指标,且失效位置、纤维应力比也符合标准规定.     

硬质合金内衬的组合超高压简体优化设计

研究了硬质合金内衬的多层组合超高压筒体的强度优化设计.以等强度理论为设计原则,建立了以各外层径比(外径与内径的比值)为变量,容器总径比为约束,弹性承压能力最大为目标的优化设计数学模型.应用Lagrange乘子法进行优化,得到了各层最优径比公式及最大内压公式.在此基础上,从叠加原理出发,推导了不同材料多层容器的层间缩套压...     

基于等强度理论和有限元法的弹性环动态优化设计

在伺服电动缸等刚性加载机构上串联一个弹性环可以提高加载精度。本文利用曲梁弯曲理论建立了等厚度截面弹性环的设计方法,并提出了动态等效质量的概念及计算方法。采用等强度理论的设计理念,在满足弹性环强度和刚度的前提下,建立了以降低动态等效质量为目标的变厚度截面弹性环的有限元结构优化设计模型。实例分析结果表明,结构优化可以有效地降低弹性环动态等效质量,提高加载系统的动态性能。     

粘弹性基体中环绕纤维的环形裂纹的型和型应力强度因子

分析了粘弹性基体中环绕纤维的环形裂纹的 型和 型应力强度因子及其时间相关性。根据文献 [1 ]、文献 [2 ]中的弹性解 ,求出了粘弹性基体中环绕纤维的环形裂纹的 型和 型应力强度因子在 L aplace变换域内的解。对其进行 Laplace数值反演后 ,得到了相应的 型和 型应力强度因子在时间域内的变化曲线。结果表明 ,给定长度的环形裂纹在尚未接触界面时 ,其两端正则化的 型和 型应力强度因子均随时间增大而减小。