FWRP压力容器的可靠性设计研究

纤维缠绕聚合物基复合材料(FWRP)压力容器在航空航天及民用领域的应用是当前研究热点。减轻结构重量对于性能和成本都具有非常重要意义。为实现FWRP压力容器结构设计和安全评定的高目标,引入可靠性理论,应用统计学原理,基于应力-强度干涉模型,以同一失效概率为标准进行FWRP压力容器结构设计,以取代现应用的传统安全系数法设计。采用无碱无捻玻璃纤维-环氧树脂材料体系,应用同一缠绕工艺制备8个压力容器。试验得到纤维强度、缠绕角、几何尺寸、爆破压力等随机变量特征值。其结构可靠性设计值(纤维缠绕壁厚)与试验结果基本吻合,并显著小于常规设计值。将各设计变量随机分布特征值与压力容器结构设计相结合,实现安全与经济的有效统一,为可靠性设计在FWRP压力容器上的应用与发展提供了依据。     

人工神经网络结合遗传算法对CFWRP固化制度的优化

聚合物基复合材料的固化制度是影响其性能经济指标的重要因素。它们之间的关系既无先验公式表征,又为非线性,一般是采用“试凑法”探索试验,但耗时长也未必达到优化目的。神经网络法具有超强非线性映射能力,可自动总结出数据之间的函数关系,遗传算法可多点群体搜索,并可不陷入局部最优点。本文以碳纤维缠绕聚合物基复合材料(CFWRP)制成NOL环试件,在试验基础上采用人工神经网络结合遗传算法对固化制度进行优化,得到较好的结果。     

纤维缠绕CEm基复合材料力学性能研究

为使氰酸酯(Cyanate ester,CE)树脂适合纤维缠绕工艺,对氰酸酯树脂进行了改性.改性的目的是在不降低纯氰酸酯基复合材料耐热性能的前提下,使氰酸酯树脂适合纤维缠绕.用TG/DTA研究了氰酸酯树脂改性前(略为CE)及其改性后(略为CEm)的复合材料热分解温度;用复合材料单向板研究了CErm基复合材料的力学性能,并与目前应用量大面广的环氧基复合材料的力学性能进行了比较.研究结果表明:改性后的氰酸酯基复合材料不仅可以充分发挥CE基复合材料具有的耐高温优势,而且能充分发挥复合材料0°方向的力学性能.     

纤维张力对复合材料管道缠绕轨迹影响分析

为实现复合材料管道纤维缠绕优质成型,纤维张力起关键作用,其张力波动的程度直接影响复合材料管道成型的性能。为减小缠绕过程中张力大小差异,规划缠绕轨迹时需考虑纤维张力的影响,提出在机械臂末端增添预设张力负载的方法规划缠绕轨迹。建立六自由度机械臂缠绕模型,用MATLAB对机械臂的缠绕轨迹进行设计,通过建立MATLAB与ADAMS的联合仿真平台,对有无张力负载下的机械臂末端质心位移曲线进行仿真分析,并搭建张力控制实验平台,进行机械臂末端有无张力负载复合材料管道的纤维缠绕实验,实验表明有张力负载下规划的缠绕轨迹能有效抑制缠绕过程中张力的波动程度。     

纤维缠绕复合材料固化成型中纤维密实过程数值模拟

纤维缠绕复合材料固化成型过程中,缠绕制件的纤维密实程度及单层厚度受缠绕张力、树脂流动影响较大。基于Squeeze-sponge模型,发展了适用于纤维缠绕复合材料固化成型的树脂流动/纤维密实模型。该密实模型考虑了固化度、温度、树脂黏度、渗透率等参数随固化时间的变化特性,并引入缠绕张力、缠绕图案等缠绕特征,实现缠绕制件纤维密实过程的数值模拟。通过对比文献结果,证明了密实模型的可靠。基于密实模型,对不同缠绕张力制度下的纤维密实程度进行数值模拟,结果表明,相较于各层缠绕张力相等的缠绕制度,采用层间压力相等的缠绕制度时,树脂分布更加均匀,各层纤维体分比数值趋于一致,且适当提高远离树脂出口位置的缠绕张力可实现各层纤维体分比数值相等。     

多向纤维缠绕复合材料圆筒的研制

介绍多向纤维缠绕复合材料圆筒的结构特性及其生产设备,比较了加入轴向纤维前后的复合材料圆筒的性能。结果表明,加入轴向纤维后,多向纤维缠绕复合材料圆筒的轴向性能得到了很大的提高,能够满足工业生产中对高内压及轴向载荷下制品可靠性的要求。     

纤维缠绕环形压力容器复合材料结构设计

本文在环形容器复合材料缠绕原理的基础上,从环形容器工作下的受力状态分析入手,推导出环形容器的受力方程;根据环形容器双螺旋缠绕测地线方程,结合相关工艺参数,进行复合材料结构铺层设计,确定出优化缠绕线型的切点数。根据该理论,通过编写VB程序,实现纤维缠绕环形容器复合材料纤维层的计算机参数化设计。     

纤维缠绕压力容器最佳预应力与缠绕张力关系研究

为提高纤维缠绕压力容器的结构效率,对压力容器纤维缠绕预应力及其内衬形式之间的关系进行了研究,应用压力容器设计的弹性及半弹性分析方法,推导出纤维缠绕张力及其界面最佳预应力之间关系的表达式。     

纤维缠绕用耐高温TDE85/酸酐树脂基体及其复合材料性能的研究

本文研究了一种适于纤维缠绕的低毒性耐高温ＴＤＥ８５／酸酐树脂基体及其复合材料,将这种复合材料略为Ｅ玻璃／ＴＤＥ８５,基体热变形温度为１７７℃,其复合材料热分解温度为３３６℃,这种复合材料综合性能优异,因此已用于制作纤维缠绕耐高温大型电器产品,用在汽轮发电机上,各项性能满足了用户对复合材料耐热性、力学性能、电性能的技术要求。     

CNG-2环向缠绕气瓶纤维缠绕残余预应力的优化设计

复合材料气瓶压力容器的纤维缠绕预应力对容器的性能有很大的影响,合理设计纤维预应力可提高复合材料容器的综合性能。借助ANSYS有限元软件,建立了带有纤维缠绕残余预应力的环向缠绕气瓶的有限元参数化模型。在模型中,将纤维缠绕层视为复合材料层合板。按照GB 24160—2009《车用压缩天然气钢质内胆环向缠绕气瓶》的规定,并结合各工况下应力水平的要求建立数学模型,对环向缠绕气瓶的纤维缠绕残余预应力进行优化,得到纤维缠绕残余预应力的最优值,使内胆在工作压力下有较低的应力水平,提高了气瓶的可靠性。     

高速永磁电机转子碳纤维护套的缠绕张力计算研究

表贴式高速永磁电机转子的永磁体不能承受高速旋转时产生的离心力,为此研究了一种特殊的大张力环向缠绕碳纤维护套,由于缠绕时张力的施加,这种碳纤维护套会在永磁体外表面形成一定的预压力,从而保护永磁体在高速旋转时不被离心力破坏。基于弹性力学相关理论,提出了计算缠绕张力作用下纤维层应力分布及其对永磁体预压力的方法。通过不同张力缠绕实验确定碳纤维缠绕工艺极限张力,以此为基础,分别采用解析法和有限元法计算了不同张力制度下的纤维层剩余应力,并在大张力缠绕电机转子实验中测试了纤维层提供的预压力。结果表明,解析法能较为准确地预测出碳纤维缠绕层的应力分布情况及其对永磁体的压紧力,且解析结果和有限元的误差很小,和实验测试结果的误差在可接受范围之内,所提出的大张力环向缠绕碳纤维护套可以满足永磁电机转子高速旋转的要求。     

基于PLC的缠绕机低成本控制系统设计与应用

本文利用可编程控制器的多轴插补、高速定位功能,将继电-接触器控制的普通缠绕机,改造成为PLC控制的数控缠绕机,采用玻璃纤维预浸胶带分别进行纵、环向缠绕成型,并对纵向外移量、环向缠绕长度、排纱精度、缠绕张力及表面温度等参数进行测量与分析,并对利用该缠绕机缠绕成型的6台150容器进行水压爆破实验,得到水压爆破压强均略高于设计值,且离散较小,表明:利用PLC控制的缠绕机能够满足工艺要求,可以进行纤维缠绕制品的稳定生产。改造后的PLC控制数控缠绕机具有缠绕精度高、产品性能稳定、成本低、操作界面友好、设备运行稳定及可维护性好等优点,本文方法适合于机械式缠绕机的技术升级。     

纤维缠绕复合材料管件的非线性行为分析及计算

随着缠绕角的增大,纤维缠绕管件在拉伸时,应力应变显示出非线性关系.本文针对这一现象,引用Hahn和Tsai的非线性理论,采用片段线性的近似计算法计算纤维缠绕复合材料管件在轴向拉伸时的应力应变关系,计算结果与实验结果有较好的对应关系.     

锥壳容器缠绕线型研究

从缠绕线形稳定性方面研究了锥壳模具表面落纱点与绕丝嘴姿态的最佳对应关系；确定出对应于稳定缠绕纤维轨迹的五轴缠绕机相互协调运动的规律。     

基于热芯缠绕工艺的缠绕张力研究

本文提出了一种适用于热芯缠绕工艺的缠绕张力制度设计方法.与传统缠绕工艺不同的是,热芯缠绕工艺使复合材料在缠绕同时加热固化.该方法在考虑外部纤维张力对内部环向应力影响的基础上,考虑了缠绕过程中温度引起的热应力、固化收缩应力以及各参数变化,通过对各缠绕层环向应力的分析,推导出考虑温度影响的缠绕张力制度,使各缠绕层纤维受力均匀,从而提高复合材料壳体的强度和抗疲劳性能.     

[+φ/-φ]碳纤维缠绕角管件在拉伸载荷作用下的实验及理论分析

在拉伸载荷作用下,本文对有纬结构和无纬结构的[ φ/-φ]碳纤维缠绕角管件进行了实验及理论分析。实验结果表明,无纬结构管件比有纬结构管件的轴向刚度略高些。本文还采用经典层板理论,结合[ φ/-φ]缠绕管件的特点对其轴向刚度进行计算分析,计算结果与无纬结构管的实验结果基本吻合。     

[＋ψ／-ψ]碳纤维缠绕角管件在拉伸载荷作用下的实验及理论分析

在拉伸栽荷作用下，本文对有纬结构和无纬结构的[＋ψ／-ψ]碳纤维缠绕角管件进行了实验及理论分析。实验结果表明，无纬结构管件比有纬结构管件的轴向刚度略高些。本文还采用经典层板理论，结合[＋ψ／-ψ]缠绕管件的特点对其轴向刚度进行计算分析，计算结果与无纬结构管的实验结果基本吻合。     

绕线机绕线张力控制方法分析

分析胶管和电缆等纤维线绕线机的绕线过程和绕线张力,得出绕线张力变化发生在排线跃层提速的过程中,建立了恒转速模式下的绕线张力计算模型,得出绕线张力变化率正比于小线轴卷绕转速平方和线直径,并给出了恒转速控制方法的应用范围,其经济性好。与恒转速控制方法相比,当选取的小线轴卷绕转速和线直径较大时,恒线速度控制方法的绕线张力控制效果更优,但系统复杂性和成本显著提高。