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。     

具有金属内衬复合材料纤维缠绕容器固化过程的数值模拟

基于固化反应动力学、热传导和复合材料层合理论, 采用了有限元分析方法, 对具有金属内衬的复合材料纤维缠绕压力容器在固化工艺过程中的温度和热应力分布及其变化规律进行了数值模拟。通过一典型容器数值分析, 表明在固化工艺过程中, 中容器内部的所有应力分量具有同时达到峰值的特征, 其中应力分量的峰值出现在固化降温阶段的初期。提出了数值模拟的方法和分析结论对复合材料结构设计师和工艺师合理制订金属内衬复合材料纤维缠绕容器的工艺标准具有一定的参考价值。      

含金属内衬的复合材料缠绕薄壁容器自紧设计的工程方法

基于薄壁容器理论及卸载后容器内衬残余应变为零的假设, 提出了一种含金属内衬的复合材料缠绕薄壁容器自紧设计的工程方法, 在自紧压力预测中可分别考虑金属内衬的双线性随动和等向强化特征。通过与有限元分析结果比较, 证明了本文中提出的自紧设计方法的简便性和有效性。以一典型容器为例, 研究了在自紧工艺后内衬的残余应变场和工作压力时应力场分布, 证明了采用本文中提出的自紧设计可明显提高容器的承载能力。      

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.     

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。     

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 %。     

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,PA6芯模制备的缠绕圆筒试样切割后回弹角远大于钢芯模制备试样。     

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。      

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。     

某低温压力容器失效机理研究

针对某液氮预冷设备的结构进行了研究,通过有限元分析得到结构的应力集中位置与最大等效应力,并分析得到其失效原因为底部三通在低温下发生脆性破坏。根据分析结果更换了3 mm壁厚316L材质的三通,并进行了冷冲击试验进行验证,解决了容器失效的问题。     

纤维缠绕技术的现状及发展趋势

随着纤维缠绕制品应用领域的不断扩大,纤维缠绕技术的发展也十分迅速.介绍了纤维缠绕技术的工艺、设备以及应用情况,对比分析了3种不同缠绕工艺方法,阐述了纤维缠绕技术国内外的发展状况以及纤维缠绕技术向机械化、自动化、复合化发展的趋势.     

二维局域共振型声子晶体微腔结构的带隙特性研究

利用有限元法研究了含十字型所形成的二维局域共振型微腔声子晶体结构的声波带隙特性。同时计算了最低带隙带边对应模态的位移分布和结构的传输谱。研究结果表明,含微腔结构的声子晶体在较低频率域内出现了完全带隙且带隙边缘的起始频率低,然而对于无微腔结构的类四边形声子晶体板中,则无第二带隙出现,并且第一带隙频率宽度较窄。微腔结构是产生局域共振以及出现低频带隙的最主要的原因。该研究为声子晶体在低频减振和噪音控制的工程应用方面提供了有益的支持。     

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。     

海水淡化用反渗透膜仓及其原材料的研究进展

玻璃钢缠绕成型的反渗透膜仓已在工业上获得应用。本文主要介绍了国内海水淡化用反渗透膜仓的研究进展情况及反渗透膜仓的制作工艺,对适合采用缠绕成型的方法制作反渗透膜仓用的环氧树脂原材料也进行了介绍。     

新型扁平绕带式低温高压容器设计研究

介绍用作液氢贮罐等场合的扁平绕带式低温高压容器的设计理论与方法,提出了一只10m^3液氢贮罐计算实例我。该种低温高压容器结构合理,安全可靠、制造简便,是一种优化的低曙高压容器。     

Delamination prediction of composite filament wound vessel with metal liner under low velocity impact

Based on low velocity impact kinetic theory and corresponding damage criterion for the composite laminated structures, a 3-D incompatible, geometrically nonlinear finite element method was employed to investigate the impact mechanical behavior of the composite filament cylindrical vessel with metal liner with and without internal pressure and predict their damage distributions during and after impact. A modified Hertzian contact law was used to calculate the contact force between the impact body and impacted cylindrical vessel and a direct integral scheme-Newmark method was applied in time domain during impact analysis process. The damage styles and damage distributions of a typical vessel under different impact velocities are presented. From the numerical results, it is clear that the impact damage extent for composite filament wound vessel with internal pressure is more sever than that without internal pressure under low velocity impact case with same kinetic energy.     

纤维织物增强复合材料微观应力场的有限元分析

应用有限元法对一种平面编织玻璃纤维复合材料层板在拉伸载荷下的微观应力场作了详细的计算分析。分析结果清晰揭示了微观应力场的概貌, 尤其是材料结构中的强度薄弱点。