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。      

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。     

考虑纤维体积含量的单向层合板材料退化模型

基于损伤因子与刚度和强度退化的关系,考虑纤维体积含量vf和应力水平对单向层合板材料性能的影响,推导建立了单向层合板疲劳累积损伤过程剩余刚度和剩余强度退化模型。通过对三种vf单向层合板的疲劳试验,对本文建立的剩余刚度和剩余强度退化模型进行了验证。结果表明:本文提出的模型能较好地描述不同vf层合板疲劳过程中的面内剪切剩余刚度和剩余强度的退化规律,为层合板疲劳损伤分析提供了有力依据。     

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.     

基于圆环和等强度截面的纤维缠绕环形容器设计与分析EI

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.     

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。      

具有内衬的缠绕容器缠绕层等张力设计的迭代搜索

基于本文作者已提出的模拟具有金属内衬缠绕容器缠绕过程的有限元策略或者其它一些简化的解析公式,发展了一种确定具有内衬缠绕容器实现等张力状态的预拉张力过程的迭代方法。以典型钢带或碳纤维缠绕的圆筒压力容器为例进行了数值分析。结果表明:采用本文中的方法可以通过可控的缠绕预拉张力工艺过程达到在缠绕工艺结束后实现压力容器等张力状态。      

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。     

合成枕木纤维体积含量的理论分析

合成枕木是连续玻璃纤维增强聚氨酯泡沫复合材料,其中纤维含量的多少,对合成枕木的性能起着决定性的作用。本文根据复合材料混合律,将具有三维空间含义的纤维体积含量简化在二维平面上,推算出合成枕木纤维体积含量,并根据混合律的并联模型及采用最紧密的六方密堆积结构,分析了合成枕木中纤维体积含量的极小值和理论极大值,对合成枕木配方设计具有一定的指导意义。     

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。      

纤维体积含量和富树脂对复合材料V型结构固化变形的影响

为研究模具因素对复合材料纤维体积含量、富树脂以及固化变形的影响,利用热压罐工艺完成了T700/QY9611复合材料V型结构成型试验,对其纤维体积含量、富树脂厚度以及回弹变形进行测量与研究。建立了考虑热载荷、树脂收缩载荷、模具接触、纤维体积含量以及富树脂等因素的复合材料回弹变形预测三维有限元分析模型,定量分析了纤维体积含量梯度和富树脂对回弹变形的影响。研究结果表明：使用阴模模具产生10.0%的纤维体积含量梯度和2.2 mm的富树脂,拐角半径增大后分别减小为6.8%和1.2 mm,模具材料的影响较小;使用阴模成型试验件变形增大21.0%,使用拐角半径较大的阴模,变形减小了9.6%,阴模模具主要通过纤维体积含量和富树脂影响回弹变形;模拟结果表明：V型构件的变形与纤维体积含量梯度和富树脂厚度呈正比例,10%的纤维体积含量梯度导致13.5%的变形差异,3.0 mm厚的富树脂会产生45.8%的变形差异。模拟结果与实验结果对比验证了模型的准确性。     

热残余应力对考虑微观孔隙碳纤维增强环氧树脂复合材料横向拉伸性能的影响

为研究由于材料固化产生的热残余应力对碳纤维增强环氧树脂复合材料横向拉伸性能预测结果的影响,发展了一种基于摄动算法的纤维和孔洞随机分布代表性体积单元（RVE）生成方法,建立更加接近真实材料微观结构的RVE模型。通过施加周期性边界条件,并赋予组分（纤维、基体和界面）材料本构关系,进而实现温度和机械荷载下模型的热残余应力和损伤失效分析。从结果中发现,材料固化过程会在纤维之间产生残余压应力,在模型孔隙周围产生沿加载方向的残余拉应力。所建立不含孔隙RVE模型的失效均是由于界面脱黏引起,材料固化在纤维之间产生的残余压应力会增加模型的预测强度。含有孔隙的RVE模型失效起始于孔隙周围的基体中,而材料固化在模型孔隙周围产生的热残余拉应力对含孔隙RVE模型预测的失效强度有降低作用。对于具有不同孔隙尺寸的RVE模型,模型的失效强度随着孔隙尺寸的增加而不断降低,但是热残余应力减弱了孔隙尺寸对模型预测结果的降低作用。对于具有不同长宽比椭圆形孔隙的RVE模型,热残余应力增加了孔隙长宽比对模型强度的降低作用。      

影响掺矿渣的钢纤维砼强度的主要因素

研究结果表明 :水胶比、胶凝材料用量、钢纤维掺量、矿渣代水泥量对钢纤维砼强度影响显著。当矿渣取代水泥 10 %时 ,钢纤维砼强度最高。经试验选择出一个具有良好和易性和较高强度 (118MPa)的钢纤维砼配合比 ,为掺磨细矿渣的中含量超短异形钢纤维砼的设计和施工提供了试验依据