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。     

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。      

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...     

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。     

横观各向同性地层井壁应力分析

目前关于实钻井壁应力分布计算大都基于岩石的各向同性,在实际工况分析中存在误差。该文应用各向异性材料力学理论,将层状地层简化为横观各向同性岩石材料,建立了各向异性地层井孔周围应力计算模型。应用弹性力学广义平面应变问题的复变函数解法,结合井孔周围受力边界条件及相关坐标转换,得到横观各向同性地层斜井壁围岩应力解析解。对井壁围岩主应力影响因素的分析表明,层理面弹性参数、层理面倾角、水平原地应力比和井斜角方位角对井壁应力分布均会造成影响。在进行层理性地层井壁稳定分析时,应格外注意层理面倾角、原地应力比以及井斜参数的影响。该结果对现场施工设计有很好的指导意义。     

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。      

玻璃布包装中锥度收卷的内张力分布及其参数确定

介绍了玻璃布包装过程中收卷张力控制系统的工作原理,并针对在该包装收卷过程中易产生折皱的问题,分析了包装收卷过程中的张力变化规律及其影响因素.从弹性理论出发,给出了锥度张力收卷后卷装的内张力分布公式,通过这些研究,可对不同锥度系数下的包装收卷情况进行估计.最后,给出了不同卷装条件下避免折皱的锥度系数的确定方法.     

预应力钢丝缠绕剖分-组合大型挤压筒的热应力分析

预应力钢丝缠绕剖分-组合挤压筒与传统挤压筒相比具有重量轻、疲劳性能好、制造难度与成本低等优势.传统的预应力钢丝缠绕筒体理论计算方法忽略了温度的影响,不适宜于热挤压筒的设计计算.该文采用线性热弹性理论、预应力钢丝缠绕理论以及弹性力学理论对挤压筒在预紧状态、预热状态和工作状态下的应力分布分别进行了分析,得出应力分布的解析公...     

螺栓连接层合板孔边挤压应力三维分布

孔边应力是复合材料连接设计中强度校核的重要依据,装配间隙对其有明显的影响。针对准各向同性铺层层合板单搭接连接结构,首先采用弹性基剪切梁模型推导了螺杆挠度的解析解,给出挤压载荷沿着层合板厚度方向的分布。在此基础上,将能计及装配间隙的二维情况下孔边挤压应力分布的Persson模型推广到三维情况,得到了孔边挤压应力分布及应力集中系数。理论结果通过三维细节有限元方法进行了验证。最后采用理论方法分析了装配间隙、层合板厚度及钉载对应力集中系数的影响。     

修正偶应力理论层合薄板稳定性模型及尺度效应

该文将各向同性修正偶应力理论推广到各向异性,提出各向异性的细观尺度的复合材料层合板的本构方程,基于虚功原理建立了各向异性修正偶应力理论并用于建立复合材料层合薄板偶应力理论稳定性模型。该理论的偶应力部分的转角不是独立变量(称为C1理论),对于各单层引入纤维和基体材料的不同的两个材料细观参数,建立了适用于层合板/夹层板的偶应力理论模型。该理论的应变不对称,但是,用于各向同性材料与修正偶应力理论等价。为了便于工程应用,忽略基体材料的细观长度参数,建立了各单层只含一个材料细观参数的偶应力层合薄板理论稳定性模型。算例表明建立的偶应力层合板模型能用于分析层合板稳定性的尺度效应。     

饱和横观各向同性分数导数黏弹性土中半封闭衬砌振动响应

在频率域内研究了饱和横观各向同性分数导数黏弹性土体中深埋圆形隧道半封闭衬砌振动响应问题。根据土体在长期沉积过程中存在各向异性的特点,将土骨架视为具有分数导数本构关系的横观各向同性黏弹性体,采用饱和多孔介质理论和弹性理论,利用衬砌内边界应力协调以及土体和衬砌界面处应力和位移连续,得到了简谐荷载作用下饱和横观各向同性黏弹性土和弹性衬砌的位移、应力和孔隙水压力解析表达式。考察了饱和经典弹性土、饱和分数导数性黏弹性土和饱和经典黏弹性土三种条件下饱和黏弹性土和衬砌各参数的影响,表明：横观各向同性面的弹性模量和衬砌厚度对系统动力响应的影响与分数导数阶数和土骨架的黏性有关;渗透系数较小时,系统存在明显的共振现象。另外,在三种条件下半封闭衬砌振动响应存在较大差异。     

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。     

帘线在肘形芯模上的缠绕模型

设计了帘线在肘形芯模上的缠绕模式,推导出帘线在肘形芯模上的缠绕轨迹微分方程,采用自适应步长四阶Runge-Kutta数值方法得到微分方程的数值解。理论分析结果表明:直管段缠绕时,如果芯模对中良好,即芯模轴线与纱盘旋转中心重合,则帘线缠绕角是一常数,若芯模与纱盘未对中,则帘线缠绕角是一个变化值;弯管段缠绕时,帘线缠绕角始终是一个变化值,在弯管的两个侧面出现极值,这与实际缠绕角线形基本一致。      

复合材料多层板壳在非线性弹性失稳时的本构关系

在研究复合材料的多层、夹层和加筋板壳的非线性弹性和塑性失稳问题时,需要用到失稳前的应力与应变之间和失稳时的应力增量与应变增量之间的非线性关系。复合材料在纤维断裂和基体开裂以前的物理非线性,主要是由基体引起的。本文对非线性弹性和处于主动塑性变形阶段的各向同性基体,采用小弹塑性变形理论,导得了应力与应变之间的各向同性非线性关系和应力增量与应变增量之间的各向异性非线性关系。假定纤维是线性弹性的。用复合材料的复合定律,求得了单向增强纤维复合材料层片的应力与应变之间和应力增量与应变增量之间的非线性关系。     

各向异性地层中井孔周围应力场的研究

由于问题的复杂性,在以往研究井壁稳定性的文献中,大多将地层介质简化为各向同性的。该文基于各向异性弹性理论,利用复变函数方法,建立了各向异性地层中倾斜井孔周围应力场的计算模型,得到了能够反映地层各向异性性质、地层倾向和走向、井斜角和方位角、井孔液柱压力、原始地应力方位和原始地应力比等多种因素影响的井孔周围应力场的解析表达...     

基于非线性超声混频技术的钢绞线张力识别研究

监测钢绞线应力水平对保证后张混凝土结构、斜拉桥和拱桥的合理结构性能具有重要意义。基于一维入射条件下钢丝接触模型的谐波产生机理,建立钢绞线张力与边频非线性系数之间函数关系;采用有限元仿真和逐级加载试验,计算不同张力水平下边频非线性系数和二次谐波非线性系数;分析激励源输入功率的影响。结果表明,遴选混频激励下钢绞线中产生明显的边频调制谐波和二次谐波;边频非线性系数和二次谐波非线性系数随张力水平变化符合理论模型下降规律;相较而言,边频非线性系数随张力变化规律性更明显,受激励源功率影响更小。     

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.     

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。      

复合材料层板低速冲击后剩余压缩强度

对两种材料体系和铺层的复合材料层合板进行低速冲击后压缩强度试验 , 以研究低速冲击后层合板的压缩破坏机理。讨论了表面凹坑深度、 背面基体裂纹长度、 损伤面积以及剩余压缩强度与冲击能量的关系。在试验研究的基础上 , 建立了复合材料低速冲击后剩余强度估算的一种椭圆形弹性核模型。该模型将冲击损伤等效为一刚度折减的椭圆形弹性核 , 采用含任意椭圆核各向异性板杂交应力有限元分析含损伤层合板的应力应变状态 ,并应用点应力判据预测层板的压缩(或压、 剪)剩余强度。理论分析与试验结果对比表明 , 该模型简单有效。