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。      

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。     

复合材料空心飞轮多环套装整体变形及应力简化精细分析

采用多环过盈装配是解决复合材料飞轮径向强度过低的有效途径之一。本文作者采用平面应力简化模型,提出了计及过盈配合后变形导致实际过盈量增大计算飞轮套装后的初终应力分布的方法;提出了基于叠加原理计算多环过盈装配旋转飞轮应力的方法;提出了保证飞轮旋转时配合界面不脱离的相关临界转速的概念和计算方法。算例分析表明:过盈配合后的变形对初终应力的影响不能忽略;过盈量和套装环数与飞轮的初终应力和相关临界转速有密切的关系。     

平纹机织叠层复合材料飞轮弹性参数预测及测量

针对纤维缠绕复合材料高速飞轮径向分层问题,提出环向和径向同时强化的圆环平纹织物结构,环向纱束为单一纤维束连续织造。建立了“平头梭形”截面的单胞模型,兼顾双向纱束轮廓差异。基于扇形单胞和矩形单胞结构相似性,定义了“等参数”织造约束条件。采用体积平均法预测圆环织物扇形单胞等效弹性参数,并采用轮缘径向多层分割模型,分析了机织飞轮旋转载荷下的应力和变形特征及其影响参数,轮缘理论计算位移与圆标记法径向变形测量结果一致。机织复合材料飞轮测试极限圆周速度为889 m/s,储能密度为63.7 Wh/kg。理论分析和实验表明,环形织构的双强化理论可行,能够获得比缠绕飞轮更高的旋转速度。      

轮毂轴承单元过盈量理论设计及试验研究

针对第3代轿车轮毂轴承单元过盈量的设计,提出了一种考虑铆接装配影响的过盈量理论设计方法。首先,基于弹性力学和平面应力假设推导了轮毂轴承单元内圈与内法兰轴配合的过盈量理论计算式;然后,采用有限元软件建立了轮毂轴承单元过盈装配、铆接装配及铆接卸载回弹过程仿真模型,并通过数值模拟分析获取了其过盈配合面的压力分布及其轴向预紧力;接着,基于推导的理论公式计算得到因铆接装配而增大的过盈量,并对理论计算值进行修正;最后,通过轮毂轴承单元内圈拔出力测量试验和耐久试验来验证所提出的过盈量理论设计方法的正确性及可靠性。结果显示：利用理论公式计算得到的因铆接装配而增大的过盈量为0.020 mm,与其试验值0.017 mm很接近;过盈量在上、下极限附近的轮毂轴承单元均未出现内圈松动或内圈破裂现象。研究表明考虑铆接装配影响的轮毂轴承单元过盈量理论设计方法是可靠的,能够满足生产实践的要求。     

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...     

分子泵叶轮装配过盈量设计与应力分析

动叶轮作为分子泵的关键部件,与芯轴过盈装配,要求在高速状态下仍保持一定的过盈量.本文计算了动叶轮在高速转动时的径向变形、过盈装配时的初始应力状态和转动时应力状态,根据径向变形量的差异和应力优化了装配过盈量,既保证了动叶轮转子强度又使过盈联接可靠.     

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。      

复合材料飞轮破坏转速的算法和高速旋转破坏实验

分别基于平面应力型全弹性模型和三维数值模型建立了计算复合材料飞轮破坏转速的二维和三维算法。这两个算法均采用了正交各向异性材料的最大拉应力(材料主方向) 准则, 其中三维算法还采用了两种强度判据, 即基于轴向大部分区域每层应力的平均值判据和轴向边界区域每层应力的最大值判据。对张紧力缠绕的3个实验复合材料飞轮成功实施了高速旋转破坏实验, 破坏均发生在径向强度最弱的飞轮与金属芯轴的界面处。实验结果表明, 飞轮的实际破坏转速与理论破坏转速十分接近, 证实本文中建立的二维和三维算法是可靠的;二维算法得到的理论破坏转速偏高, 而飞轮的实际破坏转速落在三维算法分别按最大值判据和平均值判据得到的两个理论破坏转速之间, 说明三维算法的精度更高。      

纤维缠绕固体火箭发动机壳体的应力及强度分析

纤维增强复合材料在许多领域得到广泛应用,固体火箭发动机壳体就是一例。因此,分析其不同内压下的应力及预报爆破压力是十分重要的。复合材料结构承载过程的应力分析,需进行单元失效判断,许引入失效单元的刚度衰退,这种方法是最合理的。本文采用该方法并结合大变形有限元分析理论,计算了某一纤维缠绕固体火箭发动机壳体的应力和爆破压力,数值计算结果与实测数据吻合,证明该方法可用于纤维缠绕复合材料结构的应力及强度分析,值得重视。     

多环环间混杂复合材料飞轮离心应力分析

采用平面应力假设,给出了计算多环环间混杂复合材料飞轮的离心应力和初始极限转速的方法,并采用二维轴对称的有限元分析验证了计算方法的合理性,可作为初步设计多环环间混杂复合材料飞轮的依据。本文的算例分析还表明,无论单一纤维或混杂的复合材料飞轮,空心结构的初始极限转速和储能密度均高于相应的实心结构的结果;且对于空心结构,有利于通过选择合适的混杂方案,实现一定意义上的"等强度"设计。      

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。     

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。     

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。