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。     

纤维缠绕复合材料起伏区域残余应力

针对纤维交叉起伏区域残余应力,建立一种细观分析模型。基于热传导方程、固化反应动力学模型和复合材料层合理论,采用有限元方法和细观分析模型,对缠绕复合材料在固化工艺过程中的残余应力分布及其变化规律进行数值模拟。通过算例,研究纤维起伏区域残余应力的分布特点,结果表明:起伏纤维束不同位置处残余应力差别很大,层合区纤维束呈现拉应力状态,起伏区纤维束呈现压应力状态,富树脂区出现最大压应力;残余应力沿纤维束起伏方向呈现V型变化趋势,在纤维束上不同位置出现拉、压不同的应力状态,起伏角度最大处出现最大压应力。     

考虑纤维缠绕形态的复合材料结构拉伸承载行为

纤维缠绕复合材料的纤维束具有交叉起伏形态特征,该形态对复合材料结构的力学行为有显著的影响。本文采用数值仿真和实验手段研究了纤维缠绕复合材料平板结构的拉伸力学行为。实验方面,开展纤维缠绕复合材料平板的准静态拉伸实验,通过数字图像相关技术(DIC)监测其表面应变场的演化过程,研究交叉起伏特征对载荷-位移曲线和应变分布特征的影响;数值分析方面,构建包含纤维缠绕形态的介观有限元模型,基于3D Hashin失效准则开展渐进损伤过程模拟,并引入了复合材料的剪切非线性行为。选取层合板结构为参照组,同时开展实验和数值分析。实验结果表明:对于层合结构,缠绕结构的整体刚度更低,失效位移更大,失效载荷基本相同,且缠绕结构菱形特征单元中部纤维交叉起伏区域存在明显的应变集中现象。所构建的有限元模型和实验结果吻合较好,呈现出纤维起伏区域的应变集中、失效起始和扩展行为。      

计及纤维交叉起伏影响的缠绕复合材料刚度分析

针对缠绕复合材料交叉起伏区域的细观结构,建立了一种细观分析模型。首先,将纤维交叉起伏区域划分为环向交叉起伏区和螺旋交叉起伏区2种类型;然后,以缠绕面为基准,用平行横截面将起伏区域空间结构模型离散化为多个子模型,运用纤维束起伏角、富树脂区域尺寸、纤维束的体积分数、纤维束的横截面形状及尺寸等细观参数来描述缠绕复合材料交叉起伏区域的细观结构。基于所建立的细观模型及层合板理论,提出了缠绕复合材料交叉起伏区域的等效刚度计算方法。通过算例研究了纤维束截面、纤维束起伏角以及富树脂区体积分数等细观参数对局部区域等效刚度的影响。结果表明:环向交叉起伏区的弹性模量比螺旋交叉起伏区下降得更为明显;在富树脂区域,弹性模量和剪切模量降低较为明显,而泊松比则有所增大。纤维束厚度增加及纤维束截面变化对交叉起伏区域等效刚度会产生明显影响。      

纤维束交叉起伏对缠绕复合材料刚度的影响

纤维缠绕过程会在局部区域形成纤维束的起伏、交织。针对起伏区域纤维束的非正交交织的特点,提出一种缠绕复合材料刚度的计算方法:先通过螺旋缠绕角度和起伏层倾斜角度,将三维刚度进行两次转换,然后将转换后的起伏区域的三维刚度转化成缠绕层面内二维有效刚度;利用二维有效刚度,将缠绕复合材料刚度系数A_ij、B_ij和 D_ij各项在起伏区域上进行数值积分取平均值,再利用转换矩阵得到缠绕复合材料的整体刚度矩阵。算例的结果表明,考虑了纤维束的起伏、交织后缠绕复合材料刚度矩阵发生了一些变化,特别是耦合刚度的变化更为明显。      

含预裂缝复合材料缠绕圆柱壳轴压承载特性分析

为探究穿透裂缝对复合材料缠绕圆柱壳承载能力及失效模式的影响,首先开展不同壁厚含预裂缝复合材料缠绕圆柱壳轴向压缩试验。对于A系列厚壁圆柱壳,裂缝导致承载能力下降53.96%,失效模式由局部屈曲转化为裂缝扩展、脆性断裂;而B系列薄壁圆柱壳均发生局部屈曲,裂缝使承载能力下降12.59%。其次,采用有限元软件ABAQUS 6.14,基于非线性RIKS算法,建立轴压作用下含预裂缝复合材料圆柱壳极限承载能力计算模型,通过引入Hashin失效准则及损伤演化判据,预测结构渐进破坏模式及极限荷载。数值结果与试验数据吻合良好,最大误差为7.01%,验证了数值算法的可靠性。在此基础上,探讨裂缝方向、缠绕角度对含预裂缝复合材料圆柱壳极限承载的影响,可知:对于±55°螺旋铺层复合材料圆柱壳,随裂缝角度α增加,极限承载能力先升高再降低,当α=45°时,具备最大承载能力;对于含开缝角α=15°、45°、55°缠绕圆柱壳,随缠绕角θ增加,其承载能力呈先上升后下降趋势。且开缝角越小,缠绕角度对极限荷载的影响越大,当缠绕角θ=30°时,达到最大承载能力。     

复合材料干纤维增强回转体结构缠绕线型设计

复合材料干纤维缠绕增强结构可解决纤维缠绕树脂基复合材料结构耐冲击性差、低温环境树脂易失效等问题。干纤维增强结构缠绕过程中,纤维束重叠、压缩导致干纤维缠绕增强层各处厚度不一,会对缠绕线型稳定性产生影响。为满足缠绕线型稳定,研究了测地线干纤维缠绕增强层厚度变化及分布规律,分析了纱带宽度、极孔尺寸及芯模结构等参数对增强层厚度的影响,考虑芯模厚度的变化,逐层更新干纤维缠绕增强结构数学模型,进行了缠绕轨迹计算,获得测地线缠绕线型。缠绕实验表明：理论仿真获得的复合材料干纤维缠绕增强容器增强层厚度准确,缠绕线型稳定,无滑纱现象,验证了纤维厚度与缠绕轨迹计算方法的可行性和干纤维增强层厚度仿真的正确性。     

纤维缠绕复合材料固化过程残余应力/应变的三维数值模拟

采用有限元分析软件ABAQUS,对具有金属内衬的纤维缠绕复合材料圆筒在固化过程中残余应力及应变的变化规律进行了模拟计算。采用FORTRAN语言编制了用以分析固化过程中残余应力的子程序,该子程序考虑了固化过程中复合材料力学性质的变化和由于树脂固化收缩产生的化学收缩应变。算例结果表明：复合材料和金属内衬的残余应力在初始阶段均接近于零,当固化到一定阶段,残余应力迅速增加并且很快达到最大值,在降温阶段释放了部分的残余应力;在整个固化过程中,金属内衬受到压应力,而纤维缠绕层受到拉应力。本文中的三维有限元模型可以得到任意时刻复合材料的温度及固化度分布,通过数值模拟可以有效地优化复合材料固化工艺参数,提高制件的质量。     

复合材料正交加筋层合圆柱壳结构阶梯式挖补修理的参数化研究

利用三维参数化有限元分析模型,对复合材料正交加筋层合圆柱壳结构的阶梯式挖补修理进行了参数分析.主要考虑了载荷情况、阶梯数、铺层顺序以及补片铺层错误等修理参数对阶梯式挖补修理结构胶层剥离应力和剪切应力分布情况的影响规律,并利用绝对值的平均值和均方差来描述胶层剪切应力剥离应力的分布情况,以确定最优的阶梯式挖补修理参数.基于该文建立的三维有限元模型可以深入地了解复合材料正交加筋层合圆柱壳结构阶梯式挖补修理区域胶层应力分布的详细情况,而且参数化分析结论也可为复合材料正交加筋层合板圆柱壳结构的阶梯式挖补修理方案的设计和分析提供参考.     

纤维缠绕圆柱壳轴压稳定性

本文系统地讨论了多层复合材料圆柱壳在轴向压缩载荷条件下的轴压稳定性。基于 Donnell 方程,将位移法与复数解法推广应用于纤维缠绕圆柱壳的轴压稳定性问题,考虑了八种边界条件,提出了壳体的前屈曲理论解以及屈曲模态,临界载荷的算法,特别着重考虑了各类边界条件与耦合效应。其理论和结果可直接应用于固体火箭发动机壳体的结构设计。     

缠绕肋缠绕过程试验及力学行为分析

首先通过单向拉伸试验测试和理论计算两种方法得到4层(45?/?45?/45?/?45?)铺设碳纤维复合材料的弹性模量,作为文中数值计算及弯矩分析的材料参数。通过4层(45?/?45?/45?/?45?)铺设碳纤维复合材料肋进行整体缠绕过程试验,得到肋整体缠绕过程肋表层应变和缠绕弯矩。利用ABAQUS分别建立了复合材料肋整体缠绕精细有限元模型,实现了缠绕一周过程强几何非线性数值模拟分析,得到各层应力、应变特征和缠绕弯矩,并与试验结果比较分析。进而给出缠绕弯矩解析表达式,并对材料铺设与厚度进行分析,得到缠绕过程最优材料铺设机理与最大厚度分析方法。该文对缠绕肋设计和深入研究具有重要参考价值。     

缠绕线型对缠绕复合材料圆管轴向拉伸失效的影响

采用细观刚度模型的有限元分析（FEA）与改进的逐渐累积损伤方法相结合,建立了缠绕复合材料圆管轴向拉伸失效的分析方法与流程,以揭示缠绕线型对缠绕复合材料损伤失效的影响。对沿圆周方向分布有1个、3个和5个单胞的3种不同线型的缠绕复合材料圆管试件进行轴向拉伸破坏实验,获得其失效形式、平均拉伸强度及其随缠绕线型的变化规律。研究表明：缠绕复合材料圆管轴向拉伸失效主要以丧失承载能力的功能失效为主,缠绕线型对其拉伸强度有一定的影响;数值分析结果表明,轴向拉伸过程中,主要损伤为基体开裂与基纤剪切,纤维交叉容易引起损伤起始与扩展。     

多角度交替缠绕复合圆筒的剩余应力算法及水压试验

针对含薄壁钢内衬碳纤维增强聚合物基复合材料（CFRP）多角度交替缠绕复合圆筒的剩余应力计算问题,基于正交各向异性材料的厚壁圆筒理论和弹性叠加理论,提出了考虑卸去芯模影响的多角度交替缠绕下CFRP各层和钢内衬剩余应力的逐层叠加算法,研究了恒缠绕张力下,芯模厚度和螺旋层缠绕角对CFRP各层和钢内衬剩余应力的影响。计算表明：芯模厚度越大则CFRP层剩余应力越低,但芯模厚度过大将减弱缠绕张力对钢内衬的强化效应;螺旋层缠绕角约65°时,环向层剩余应力出现极小值,螺旋层剩余应力和内衬剩余应力均出现极大值。针对缠绕张力对钢内衬的强化效应,通过水压试验加载过程中钢内衬声发射特征与复合圆筒外壁应变测试,测得的钢内衬屈服载荷与理论预测值一致,基本证实了算法的有效性。为提高CFRP层缠绕质量,基于等剩余应力假设,提出了多角度交替缠绕张力制度优化设计思路,适用于内压管的张力制度优化。     

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。     

厚壁复合材料管纤维缠绕张力的神经网络设计方法

提出了一种纤维缠绕厚壁复合材料管的张力优化设计方法。介绍了纤维缠绕控制系统的工作原理, 并讨论了缠绕厚壁复合材料管成型质量的影响因素。针对厚壁复合材料管纤维缠绕过程, 利用弹性叠加原理建立了计算缠绕张力导致复合材料管残余内应力变化的模型和方法。分别比较了利用现有恒张力、 恒力矩和锥度张力三种常规模式缠绕厚壁复合材料管的内应力分布特性。设计了一种独特的神经网络结构, 并通过误差反向传播实现了对纤维缠绕张力的优化设计。以实验验证说明神经网络收敛优化过程的主要机制, 结果表明, 通过该神经网络优化的纤维缠绕张力能满足特殊内应力(如等应力)分布设计的需要。     

混杂纤维缠绕圆柱壳外压稳定性与缠绕参数

本文在文献的基础上,以加权因子和铺设角为参量给出了混杂纤维缠绕正交各向异性圆柱壳外压失稳最佳缠绕参数的理论计算公式。讨论了该公式的使用条件,并提出混杂纤维缠绕结构是否具有极值意义最佳参数的判别式。文中算例表明,本文公式不仅可以确定混杂纤维缠绕外压圆柱壳的最佳参数,也可以确定纤维增强各向同性外压圆柱壳的最佳纤维含量及纤维缠绕方向。     

缠绕张力对干法缠绕复合材料结构残余应力及回弹变形的影响

开展纤维缠绕结构缠绕与固化后残余应力评估是开展缠绕工艺优化设计、实现服役前预应力设计的重要前提。本文采用干法缠绕工艺,基于钢芯模和尼龙6(PA6)芯模分别制备了恒定张力(40 N)、内松外紧(20 N-40 N-60 N)和内紧外松(60 N-40 N-20 N)3种不同张力制度的复合材料缠绕圆筒,通过测试切割过程应变释放量与回弹变形对内部残余应力进行对比分析。借助生死单元法,建立了复合材料圆筒的逐层缠绕过程分析模型,模拟缠绕后残余应力分布;并基于CHILE(Tg)本构模型,开展了复合材料圆筒固化过程模拟,预测固化后残余应力及切割后回弹变形。研究表明：固化应力与缠绕张力均对总残余应力产生贡献,但由于固化过程剩余缠绕张力进一步放松,固化后总残余应力水平低于缠绕残余应力与固化应力之和。固化过程不会改变缠绕张力对最终残余应力分布的影响;缠绕张力对总残余应力的影响程度与芯模材质相关,芯模热变形越大,缠绕张力的影响越弱。当采用相同芯模时,内松外紧(20 N-40 N-60 N)张力制度产生的切割回弹角最小,内紧外松(60 N-40 N-20 N)张力制度产生的回弹角最大;当采用相同张力制度时,P...     

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。      

复合材料纤维张力缠绕预应力场动态特性

复合材料纤维张力缠绕技术通过提高纤维的张力水平可充分发挥纤维高强、高模优势,在成型过程中对结构进行预紧,成为解决高速转动部件径向变形大、界面强度低等问题新的有效途径。将每一层纤维的张力缠绕等效为一个含预应力复合材料薄环的叠加,基于正交各向异性复合材料缠绕层和各向同性金属芯模弹性变形理论,建立了纤维张力缠绕力学解析模型,得到芯模和缠绕层预应力场随缠绕层数及缠绕张力的变化规律,并通过复合材料纤维张力工艺试验验证了力学解析模型的正确性。研究发现了纤维张力缠绕中预应力“饱和”现象,并确定了影响张力缠绕预应力场的两个主要参数:缠绕层环径向刚度比E_θ/E_r和张力大小T（r）,为复合材料纤维张力缠绕成型工艺提供理论支撑。      

纤维缠绕壳体材料非线性及大变形分析计算

论述了Jones-N elson-Morgan 模型的构成原理及其参数的确定方法, 利用这个模型研究了纤维缠绕复合材料的非线性本构关系。推导和建立了纤维缠绕壳体大变形有限元公式和有限元模型。在同时考虑材料非线性和大变形情况下对纤维缠绕壳体内压进行了有限元分析计算, 获得了与实验结果符合较好的理论预报结果。