基于爆破试验的CFRP固体火箭发动机壳体的可靠性设计

根据GJB 1878-94制备了8个碳纤维缠绕复合材料压力容器，通过试验获得壳体的纤维强度、缠绕角、几何尺寸、爆破压强等随机变量特征值，利用这些实验数据对固体火箭发动机壳体进行可靠性设计，并与传统的安全系数法设计进行比较。结果表明，使用可靠性安全系数法设计可以实现安全性和经济性的统一。分析了材料的力学性能参数及壳体的几何参数等随机变量的变异系数对CFRP固体火箭发动机壳体爆破压强分散程度的影响。纤维应力、壳体纤维层厚度和壳体半径的变异系数的大小直接影响了爆破压强的分散程度；而纤维缠绕角除其变异系数的大小直接影响爆破压强的分散程度外，其参数均值也对爆破压强的分散程度有影响。     

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。      

GFWRP管增强混凝土柱的轴压泊松比

为完善和发展GFWRP管增强混凝土柱的设计与计算理论,设计并制备了不同管径、壁厚及缠绕角的GWFRP管混凝土柱试件。进行了轴心压缩试验并对试验结果回归分析,得到GFWRP管混凝土柱轴心压缩过程中转折点及峰值点的泊松比变化方程和相应的应变预测公式,得到组合结构轴压全过程的泊松比变化预测方程。可由给定的组分材料性能预测组合构件的极限泊松比和极限应变,达到预测实际工程中GFWRP管混凝土柱抗力与变形性能的目的。通过试验及计算结果对GFWRP管混凝土与传统钢管混凝土的泊松比变化趋势进行了对比分析,发现两者变化规律完全不同。进一步探讨了GFWRP约束管的纤维缠绕角对组合结构轴压泊松比的影响。结果表明,纤维缠绕角与轴压泊松比近似成反比关系。为制定合理的GFWRP复合材料增强混凝土柱规范提供了理论依据。      

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.     

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。     

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。     

纤维缠绕复合材料压力容器封头厚度预测

本研究的目的是建立一种用来预测纤维缠绕复合材料压力容器封头厚度的方法。针对固化成型的复合材料压力容器封头型面, 基于封头段所有缠绕纱带总体积保持不变条件, 提出了一种采用三次样条函数来预测复合材料压力容器封头厚度的方法。采用该方法对具有不同几何尺寸、 不同缠绕工艺参数的复合材料压力容器进行了封头厚度预测, 并与传统预测方法及实际厚度测量值作了对比分析。算例结果表明, 该方法能够比传统方法更准确地预测纤维缠绕复合材料压力容器的封头厚度, 从而为有限元建模分析提供精确的厚度参数。      

多壁碳纳米管界面传感器及其在纤维缠绕压力容器原位监测中的应用

研发了基于多壁碳纳米管（MWCNT）界面传感器的多功能复合材料,并研究了其在纤维缠绕压力容器健康监测中的应用。首先考察了该界面传感器在复杂环境中的可靠性,分析了MWCNT对纤维/基体界面层间剪切强度的影响,得到了植入MWCNT界面传感器的复合材料在不同水温下吸水特性;随后研究了基于MWCNT界面传感器的纤维/基体界面原位监测和损伤修复,分析了利用该方法原位监测、修复热塑性复合材料界面损伤的可行性;最后将MWCNT界面传感器植入到纤维缠绕压力容器中,并考察了该压力容器在水压疲劳、水压爆破两类载荷下的原位监测效果。研究结果表明:植入MWCNT界面传感器可提高复合材料纤维/基体的界面层间剪切强度,且在一定水温范围内,植入MWCNT的界面强度下降率更低;通过在复合材料中植入MWCNT界面传感器,可实现对纤维增强热塑性树脂复合材料界面的原位监测和修复;利用该方法也能够原位监测纤维缠绕压力容器的工作状态,进而获取其界面损伤信息。      

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。     

The effect of fiber volume fraction on filament wound composite pressure vessel strength

This paper is a continuation of previous research reported in Ref. [1]. The previous paper discussed the relationship between fiber volume fraction in filament wound composite vessels and failure pressure. This research included a design of experiment investigation of manufacturing and design variables that affect composite vessel quality and strength. Statistical analysis of the data shows that composite vessel strength was affected by the manufacturing and design variables. In general, it was found that the laminate stacking sequence, winding tension, winding-tension gradient, winding time, and the interaction between winding-tension gradient and winding time significantly affected composite strength. The mechanism responsible for increases in composite strength was related to the strong correlation between fiber volume fraction in the composite and vessel strength. Cylinders with high-fiber volume in the hoop layers tended to deliver high-fiber strength. This paper further examines the relationship between fiber volume fraction and fiber strain to failure. Data from unidirectional strand tests and additional vessel tests are presented. A computer program that is based on the thermokinetics of the resin and processing conditions is used to calculate the fiber volume fraction distribution in the filament wound vessel. The strand's strength-versus-fiber volume data together with the computer program are used to predict composite vessel burst pressure. In general, good agreement with experimental data is observed.     

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。     

Influence of filament winding parameters on composite vessel quality and strength

An experimental design investigation of manufacturing and design variables that affect composite vessel quality, strength, and stiffness was conducted. Eight 20-in. cylinders (with one additional cylinder as a replicate) were manufactured and tested for hoop strength, hoop stiffness, fiber and void volume fraction distribution through thickness, residual stress, and interlaminar shear strength. Material and processing variables were divided into five categories: (a) resin, (b) fiber, (c) fabrication process, (d) design, and (e) equipment. Five variables were selected (from a list of 12) for study using a 1/4 fractional factorial design of experiment setup. The five variables were: (a) winding tension, (b) stacking sequence, (c) winding-tension gradient, (d) winding time, and (e) cut-versus-uncut helicals.

Statistical analysis of the data shows that the composite vessel strength was affected by the manufacturing and design variables. In general, it was found that composite strength was significantly affected by the laminate stacking sequence, winding tension, winding-tension gradient, winding time, and the interaction between winding-tension gradient and winding time. The mechanism that increased composite strength was related to the strong correlation between fiber volume in the composite and vessel strength. Cylinders with high fiber volume in the hoop layers tended to deliver high fiber strength.     

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。     

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.     

Simulation procedure of high pressure vessels using the wire winding technique

One of the most common techniques for high pressure vessel design (>6000 bar) is the wire winding technique. This process consists on surrounding a cylinder with a flat wire made of high strength steel, reaching to each layer progressively compressive stresses in the inner cylinder. In this way, residual initial compressive stresses in the core of the vessel, in contact with the internal pressure, increase the fatigue life of the installation. Current design codes, as the ASME code (2007 Section VIII – Division 3) include special design requirements as a safety factor against plastic collapse. In particular, this code requires that the analysis shall be performed using numerical methods for cylindrical vessels that have an inner-outer diameters ratio greater than 1.5. In this work, a wire winding simulation methodology for the analysis of high pressure vessels is presented. The simulation procedure has been validated with analytical solutions in linear elastic cases, obtaining very good agreement. Then, the plastic collapse pressure has been obtained using the proposed procedure in order to carry out the ASME code requirements.     

玻璃纤维增强酚醛塑料的磨损性能

通过在酚醛树脂（电木粉）中加入5％至30％不同含量的玻璃纤维,在一定的压力和温度下模压成型,将所得到的玻璃钢材料机加工成特定的试样。然后对试样进行耐磨性能和压缩试验,再对磨损后试样表面形貌和压缩试样断口用三维视频显微镜进行观察。结果表明,随着玻璃纤维含量的增加玻璃钢的耐磨性提高,当玻璃纤维含量达到15％,耐磨性趋于稳定;抗压强度随着玻璃纤维增加开始变化不大,当玻璃纤维含量达到15％时,快速下降。磨损表面的纤维和纤维露头明显提高了玻璃钢的耐磨性,而玻璃纤维的加入对抗压强度贡献极小。