具有厚壁内衬圆筒的缠绕张力算法

缠绕张力作为缠绕工艺中的关键因素,其合理设计直接影响制品性能。针对缠绕张力的设计,提出缠绕张力算法。基于各向异性缠绕层弹性变形及各向同性内衬厚壁筒理论,给出外压作用下缠绕层的径向应力及环向应力;在弹性范围内采用应力叠加原理建立剩余张力与缠绕张力之间的解析算法。结合三种典型的张力缠绕模型,给出剩余张力具体关系式;分析等剩余张力,得到不同特例下的剩余张力解析公式。依据该解析算法研究芯模内、外径比及张力锥度系数对各向同性材料缠绕层剩余张力分布的影响,表明芯模内、外径比与锥度系数变化对缠绕层剩余张力分布有显著影响,且该文算法简单、合理、可靠;对各向异性复合材料缠绕层等剩余张力分析,其结果与现有网格理论结果一致,且该文缠绕张力上下层变化平缓,易于张力控制的实现。     

某复合材料气瓶的缠绕工艺

将连续的纤维经过浸胶后，按照一定的规律缠绕到芯模上，然后再加热或常温固化，制成一定形状制品的工艺方法叫纤维缠绕成型工艺。本文论述了湿法缠绕在环缠绕复合材料气瓶生产中的应用，通过对复合材料增强层、防护层的工艺设计和树脂体系的选择，生产复合材料气瓶23件，通过了各项鉴定试验，满足复合材料高压气瓶的设计要求。     

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...     

纤维束张紧力缠绕复合材料飞轮的预应力简化分析

在纤维束缠绕时施加张紧力,使得固化成型后的飞轮内部形成一定的预加径向压应力,这是提高飞轮径向强度的有效方法之一。基于过盈配合的思想建立了计算张紧力缠绕导致的复合材料飞轮内部预应力和变形的简化模型和方法。通过算例分析发现:等张力缠绕产生的环向应力在半径方向上先减小后增大,径向压应力不断变小;变张力缠绕过程中,张紧力由小逐渐变大时,飞轮的径向压应力增大,径向强度提高;飞轮设计中仅仅依靠张紧力缠绕是不够的,还必须和固化成型后的厚壁筒之间的过盈套装一起来设计合理的径向预加压应力。     

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。     

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。     

计及复合材料飞轮内孔卸载影响的多厚环套装的简化分析

纤维束张紧力缠绕的复合材料厚环固化成型以后,再抽出缠绕芯轴形成空心环,这一过程称为内孔卸载。本文作者在飞轮多环套装初应力分析和张紧力缠绕飞轮初应力分析的基础上,进一步给出了计及纤维束张紧力影响和复合材料厚环内孔卸载影响的多环过盈套装的简化分析,并给出了计算复合材料飞轮总体初应力场和变形场的公式。算例分析表明:内孔卸载后,纤维束缠绕的复合材料厚环的应力场和变形场均有明显的变化;和多厚环过盈套装的方法结合起来装配飞轮,可以有效地增大径向压应力,缓和环向应力;内孔卸载使得装配中的真实过盈量相对初始设定过盈量有较大的改变,必须充分考虑。      

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。      

复合材料发射箱体缠绕成型工艺研究

目的针对矩形截面复合材料箱体,对缠绕成型工艺进行研究。方法优选材料体系并进行结构优化设计,利用组合式成型模具,通过螺旋缠绕方式,突破矩形截面箱体缠绕张力控制与功能层快速铺放等关键技术。结果箱体通过了各项性能试验及环境试验考核。结论该工艺适用于树脂基复合材料发射箱箱体缠绕成型,其他等截面树脂基复合材料构件缠绕成型可参照使用。     

复合材料带缠绕成型工艺参数耦合机制及优化

基于复合材料缠绕成型工艺过程研究,分别对成型过程中紧密接触与自粘接过程进行理论分析,提出影响复合材料缠绕制品质量的关键工艺参数:缠绕温度、缠绕压力和缠绕张力;以层间剪切强度(ILSS)为优化目标,根据响应面法Box-Behnken Design(BBD)原理设计实验,建立工艺参数耦合对剪切强度的回归模型,通过对残差、方差(ANVOA)、预测值与实际值对比等检验分析,验证回归模型的可靠性及有效性,进而获得缠绕成型最优工艺参数。结果表明:在最优工艺参数作用下,层间剪切强度达到22.9 MPa,缠绕制品结合强度最高。     

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。     

纤维束张紧力缠绕复合材料飞轮初应力的三维数值分析

利用平面应力型全弹性模型的思想(即将纤维束张紧力缠绕看成多层复合材料薄环连续过盈装配的过程) , 建立了三维纤维束张紧力缠绕复合材料飞轮初应力分析模型, 并给出了基于面-面接触算法求解张紧力缠绕复合材料飞轮初应力的三维数值方法。算例分析表明, 三维数值分析得到的飞轮的环向初应力及径向初始压应力(数值) 均略低于平面应力模型的结果, 且这种差距随着飞轮轴向长度的增加而缓慢增大; 三维分析证实了平面应力模型关于张紧力缠绕复合材料飞轮的初应力分析有足够的精度。最后给出了三维模型轴向效应的表征方法。      

含面内波纹缺陷的复合材料层合板刚度性能

基于经典层合板理论（CLT）,并考虑面内波纹引起的拉伸-弯曲耦合作用,提出了含面内波纹缺陷的复合材料层合板刚度预测模型,定量研究了波纹比、纤维偏转角和波纹位置等面内波纹参数对其三维刚度性能的影响。结果表明：理论模型预测值与文献中的结果吻合较好;面内波纹对纵向弹性模量、横向弹性模量、面内剪切模量、主泊松比和面内弯曲刚度均产生了显著影响。该建模方法为研究波纹缺陷对复合材料力学性能影响提供了参考。     

考虑装配间隙的双搭接螺栓连接剪切刚度的解析求解方法

螺栓的连接刚度是复合材料连接设计中的重要参数,装配间隙对其有明显的影响。针对弹性基刚度k_c^*,引入Liu Cai-Shan的内圆接触模型,推导了考虑装配间隙的解析表达式,发现k_c^*随着装配间隙增加而降低。针对钉头约束系数k_<i>r,基于应力假设和应变能方法,给出了估算表达式。在获得k_c^*和k_r基础上,建立弹性基剪切梁模型并推导了双搭接螺栓连接刚度的解析解,并采用3-D细节有限元模型对解析方法进行了验证。最后,通过有限元方法分析了间隙对连接刚度产生影响的力学机制,并用解析方法定量给出了1~300 μm的装配间隙对连接刚度影响的大小。     

纤维缠绕复合材料纤维束形态的细观分析及弹性模量预测

在对纤维缠绕复合材料缠绕图案分析的基础上, 考虑到纤维束的交叠与波动, 提出一种用于计算纤维缠绕复合材料弹性模量的方法。该方法是在纤维缠绕图案中提取一代表单元, 将代表单元分成层板区域和纤维束波动区域。层板区域用经典层板理论计算弹性模量; 纤维束波动区域根据纤维波动的细观图形及走势计算弹性模量。根据层板区域和纤维束波动区域在代表单元中所占的比例, 组合2 个区域的弹性模量以获得代表单元的总体弹性模量。通过测试炭纤维/ 环氧树脂缠绕管在轴向拉伸载荷下的轴向弹性模量及泊松比, 验证了理论计算结果,表明该计算方法能较准确地计算纤维缠绕复合材料的弹性模量, 因此可为这类材料的设计计算提供有益的理论依据。      

玻璃钢管的长期刚度测量及预测

为建立玻璃钢管长期刚度理论模型并对其长期刚度进行预测。首先通过自主设计的恒位移加载试验装置,在不同初始挠度的恒位移条件下对纯环向缠绕和纯交叉缠绕铺层的玻璃钢管开展了长期刚度试验研究;然后,在试验基础上建立了不同初始挠度下玻璃钢管刚度与时间的折线双对数回归模型、50年后刚度降幅与初始挠度的线性回归模型,进而提出了玻璃钢管刚度降幅关于时间与初始挠度的二次曲面预测模型;最后,预测了玻璃钢管50年后的剩余刚度,研究了时间和初始挠度对玻璃钢管刚度的影响。结果表明:纯环向缠绕铺层的玻璃钢管抵抗刚度衰减的能力明显优于纯交叉缠绕铺层的玻璃钢管,纯环向缠绕铺层能有效提高玻璃钢管的刚度及其抵抗径向变形的能力,纯环向缠绕铺层的玻璃钢管有较好的长期力学性能。时间为8 313.2 h的测试数据表明提出的玻璃钢管刚度降幅预测模型具有较高的精度和较强的实用性。      

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。