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。     

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。      

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。     

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.     

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。     

不等开口纤维增强树脂复合材料缠绕壳体非测地线线型设计

线型设计是纤维增强树脂（FRP）复合材料缠绕壳体设计的一项重要研究内容,它对壳体FRP复合材料缠绕制品的质量起关键作用。本文针对不等开口极孔或不同形状封头的FRP复合材料压力容器壳体,基于非测地线缠绕方程,提出了一套非测地线缠绕线型设计方法,建立了根据已知缠绕线型和芯模转角来确定相应的切点数和纱片宽度的计算模型,开发出了一套FRP复合材料缠绕壳体仿真软件系统,对非测地线缠绕线型进行了计算机图像仿真与检验。结果表明:各个设计区间的仿真结果满足设计要求,没有出现缠绕角突变、纤维分布不规律和纤维在局部严重重叠等异常现象。该仿真软件系统可以为工程人员在实际壳体缠绕之前提供参考,缩短缠绕线型迭代试错周期,同时也为后续缠绕角及缠绕顺序等缠绕参数的优化奠定了基础。      

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。     

聚酰亚胺纤维与碳纤维缠绕复合气瓶性能对比研究

本文主要研究高性能国产聚酰亚胺纤维在复合材料气瓶上的应用,并表征其与进口碳纤维的性能差距.采用国产聚酰亚胺纤维进行缠绕成型工艺优化与复合材料性能测试分析,在测试数据及工艺优化基础上针对其进行了复合材料气瓶的强度设计.分别采用聚酰亚胺纤维、进口T300、T700以及T800碳纤维缠绕成型复合材料气瓶,进行水压爆破压强的测试,并引进声发射检测技术对其在水压过程中的损伤信号进行监测分析.结果表明聚酰亚胺纤维缠绕工艺性良好,与树脂界面结合优异,适用于湿法缠绕成型工艺.复合材料拉伸强度达到1 708 MPa,纤维的强度发挥率高达80%,相比于碳纤维复合材料其呈现出较好的断裂韧性,有利于减少复合材料气瓶在水压下的应力损伤.缠绕成型的聚酰亚胺纤维复合材料气瓶容器特征系数(PV/W)高达32.2 km,其在航空航天、医用、汽车、核工业等领域具有广阔的应用前景.     

基于机器人的复合材料缠绕策略优化

基于机器人的复合材料缠绕不同缠绕策略会对缠绕工艺及机器人运动稳定性产生影响, 为获得使机器人运动稳定性更优的缠绕策略, 研究了6自由度工业机器人的复合材料缠绕工作站, 单独分析了包络形式、悬纱长度以及测地线/非测地线缠绕等参数对缠绕工艺及机器人运动稳定性的变化参数的影响, 采用MATLAB进行不同缠绕策略的机器人缠绕轨迹计算, 确定规划后的缠绕轨迹, 基于ADAMS和MATLAB进行机器人缠绕动力学联合仿真, 获取机器人各关节力矩曲线, 分析规划后的缠绕轨迹对机器人运动稳定性的影响。进行了复合材料制品干纤维缠绕实验, 缠绕实验表明:采用优化后的缠绕策略进行复合材料制品缠绕时缠绕线型稳定, 缠绕过程无滑纱、交叠、架空等现象, 缠绕精度完全满足设计要求。      

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。      

Stability of fiber trajectories for winding toroidal pressure vessels

In this paper the fiber trajectory stability of filament wound toroidal pressure vessels is evaluated for two most frequently used patterns: single helical winding, helical and hoop winding. The basic equations of equilibrium for fibers on a torus are given based on netting analysis. The governing equations that determine helical winding angles along the meridional direction are derived for the two winding patterns. The slippage coefficients of the obtained fiber trajectories are calculated using the non-geodesic law and differential geometry. The condition between the hoop-to-helical thickness ratio and the relative bend radius of the toroid is also formulated to prevent fiber bridging on the concave surface. The fiber slippage and bridging tendencies are outlined and compared, corresponding to various relative bend radii and hoop-to-helical thickness ratios. The results show that the single helical winding process provides better stability of fiber trajectories, in terms of both fiber slippage and bridging, than the helical and hoop winding. The toroidal vessel with larger relative bend radius requires lower coefficient of friction between the fiber bundle and the supporting surface. The present analysis for fiber trajectory stability affords a useful reference tool for designing filament-wound toroidal pressure vessels.     

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。     

基于细观力学的缠绕复合材料弹性模量的预测分析

本文在细观力学模型的基础上,考虑到缠绕工艺,提出一种计算缠绕复合材料三维弹性模量的方法。该方法将代表单元分为层合部分和编织部分。层合部分用经典层合板理论计算刚度矩阵,编织部分采用四胞模型和均一化方法计算刚度矩阵,最后按两部分在代表单元中所占比例,将两部分的刚度矩阵平均化,得到代表单元的刚度矩阵。利用该方法预测了几种材料的弹性模量,并与实验结果对比,结果显示本文所提出的方法能较好地计算缠绕复合材料的弹性模量。     

纤维缠绕弧形管运动方程和线型设计

本文讨论了在计算机控制的纤维缠绕机上缠绕弧形管的运动规律,给出了测地线缠绕和非测地线稳定缠绕时丝嘴运动方程。文中还分析了弧形管缠绕线型,给出了相应公式。      

环面上非测地线缠绕方程

本文分析了非测地线稳定缠绕的条件,用微分几何中法曲率和短程曲率概念给出了环面上非测地线缠绕方程,为缠绕弧形管提供了依据。      

纤维缠绕过程中的张力分析

在纤维、造纸、塑料及金属镀膜工业中,对线状、带状及面状弹性材料卷取张力的控制是关系到产品质量的关键技术。以开卷辊为研究对象,分析了纤维缠绕过程中张力变化规律及影响因素,并给出了计算张力控制力矩的程序框图。经过实际缠绕证明,所推导的公式是正确合理的,保证了纱线张力的波动率小于5 %。