缠绕肋缠绕过程试验及力学行为分析

首先通过单向拉伸试验测试和理论计算两种方法得到4层(45?/?45?/45?/?45?)铺设碳纤维复合材料的弹性模量,作为文中数值计算及弯矩分析的材料参数。通过4层(45?/?45?/45?/?45?)铺设碳纤维复合材料肋进行整体缠绕过程试验,得到肋整体缠绕过程肋表层应变和缠绕弯矩。利用ABAQUS分别建立了复合材料肋整体缠绕精细有限元模型,实现了缠绕一周过程强几何非线性数值模拟分析,得到各层应力、应变特征和缠绕弯矩,并与试验结果比较分析。进而给出缠绕弯矩解析表达式,并对材料铺设与厚度进行分析,得到缠绕过程最优材料铺设机理与最大厚度分析方法。该文对缠绕肋设计和深入研究具有重要参考价值。     

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...     

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。      

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。      

纤维缠绕复合材料固化过程残余应力/应变的三维数值模拟

采用有限元分析软件ABAQUS,对具有金属内衬的纤维缠绕复合材料圆筒在固化过程中残余应力及应变的变化规律进行了模拟计算。采用FORTRAN语言编制了用以分析固化过程中残余应力的子程序,该子程序考虑了固化过程中复合材料力学性质的变化和由于树脂固化收缩产生的化学收缩应变。算例结果表明：复合材料和金属内衬的残余应力在初始阶段均接近于零,当固化到一定阶段,残余应力迅速增加并且很快达到最大值,在降温阶段释放了部分的残余应力;在整个固化过程中,金属内衬受到压应力,而纤维缠绕层受到拉应力。本文中的三维有限元模型可以得到任意时刻复合材料的温度及固化度分布,通过数值模拟可以有效地优化复合材料固化工艺参数,提高制件的质量。     

碳纤维/环氧树脂复合材料缠绕接头拉伸失效机制

通过试验及数值模拟对碳纤维/环氧树脂复合材料缠绕接头轴向拉伸失效机制进行研究。基于ABAQUS有限元软件,通过连续介质损伤模型及内聚区模型,分别对碳纤维/环氧树脂复合材料缠绕接头各部件及界面进行模拟,编写用户自定义材料子程序(UMAT),建立复合材料的渐进损伤模型,最终得到碳纤维/环氧树脂复合材料缠绕接头的应力分布和载荷-位移曲线,并与试验结果对比确定结构的失效机制。结果表明:有限元分析所得碳纤维/环氧树脂复合材料缠绕接头损伤部位及失效模式与试验吻合,失效载荷与试验值相差较小,证明仿真分析方法的有效性。通过对比失效模式发现,拉伸载荷作用下,链环是主承力部件,其弧形端部是应力集中处,纤维断裂即从此处开始发生并向外扩展,导致链环断裂及整体结构破坏。      

考虑纤维缠绕形态的复合材料结构拉伸承载行为

纤维缠绕复合材料的纤维束具有交叉起伏形态特征,该形态对复合材料结构的力学行为有显著的影响。本文采用数值仿真和实验手段研究了纤维缠绕复合材料平板结构的拉伸力学行为。实验方面,开展纤维缠绕复合材料平板的准静态拉伸实验,通过数字图像相关技术(DIC)监测其表面应变场的演化过程,研究交叉起伏特征对载荷-位移曲线和应变分布特征的影响;数值分析方面,构建包含纤维缠绕形态的介观有限元模型,基于3D Hashin失效准则开展渐进损伤过程模拟,并引入了复合材料的剪切非线性行为。选取层合板结构为参照组,同时开展实验和数值分析。实验结果表明:对于层合结构,缠绕结构的整体刚度更低,失效位移更大,失效载荷基本相同,且缠绕结构菱形特征单元中部纤维交叉起伏区域存在明显的应变集中现象。所构建的有限元模型和实验结果吻合较好,呈现出纤维起伏区域的应变集中、失效起始和扩展行为。      

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。     

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。     

CFRP加固火灾后混凝土短柱抗震性能的试验研究

进行了1根未受火混凝土短柱、1根火灾后混凝土短柱、1根CFRP加固未受火混凝土短柱和3根CFRP加固火灾后混凝土短柱的拟静力试验,考察了CFRP的加固量和加固方式对火灾后混凝土短柱抗震加固效果的影响情况,建议了CFRP加固火灾后混凝土柱抗剪承载力的实用计算方法。研究结果表明：外包CFRP加固可将未受火混凝土短柱的抗剪承载力提高21.8%、可将火灾后混凝土短柱的抗剪承载力提升至未受火试件的111.2%~117.1%、可提高受火前后短柱的极限变形能力和累积滞回耗能。与未受火试件相比,外包CFRP不会提高火灾后加固混凝土短柱的割线刚度。对于相同的加固量,全包CFRP柱的抗剪承载力略优于条带包裹柱。受火前、后和外包CFRP加固前、后混凝土短柱的滞回规则均类似。     

蓄电池塑料箱自动缠膜包装机设计

目的 针对蓄电池外壳塑料箱贮存、物流运输过程中出现的粉尘污染、破损等问题,在注塑成型后,需经覆膜处理。由于蓄电池外壳较薄,热缩工艺防护手段变形严重,对产品质量产生较大影响,迫切需要设计一种高效、便捷的蓄电池外壳防护包装工艺。方法 依据功能模块化设计理念提出托盘式塑料箱缠膜的解决方法,针对缠膜包装制定了集整形、缠膜、物料输送为一体的塑料箱自动缠膜工艺和各功能模块机械系统设计,并通过数字化手段验证工艺的合理性。结果 该设备实现了对多种规格的蓄电池外壳塑料箱的整形、缠膜、物料输送一体化生产,效率达到42s/件,相较于人工方式的效率提升了1.4倍。结论 该设备结构合理,在保证缠膜包装质量的前提下,提高了缠膜包装效率,推动了企业自动化进程,为塑料箱自动缠膜包装提供了解决方案。     

Strengthening Efficiency of E-Glass Fibre Composite Jackets of Different Architectures for Concrete Columns

E-glass woven roving (WR), combined with chopped strand mat (CSM), glass fibre tape (GFT) and a vinyl-ester resin, was used to restrain concrete columns using a wrapping procedure with different architectures. The results indicate that great reinforcing efficiency can be obtained through tailoring the architectures of composite jackets. An experimental study on the retrofitting efficiency of damaged concrete columns was also conducted, using a group of damaged concrete columns wrapped with the composite jackets. The results show that the original load-carrying capacity can be restored with a large ultimate displacement for the damaged concrete columns.     

车用CFRP油底壳的结构与制造工艺并行优化设计

为实现碳纤维增强复合材料（carbon fiber reinforced polymer,CFRP）油底壳的替代与制造,结合复合材料铺层可制造性分析软件FiberSim与铺层结构优化模块Optistruct,对CFRP油底壳开展了结构与制造工艺并行优化设计。参照CFRP壳体类零件的成型过程,采用FiberSim软件制定了满足制造工艺要求的CFRP油底壳铺覆方案。并在此基础上,分别以CFRP油底壳刚度最大、质量最小为优化目标,以振动模态、制造工艺要求为约束,采用Optistruct模块对CFRP油底壳的铺层结构进行优化设计。经仿真分析验证,制造工艺调整后的CFRP油底壳满足各项替代要求,且CFRP油底壳的质量较原金属油底壳减小了56.7%。所提出的结构与制造工艺并行优化设计方法可较好地兼顾结构特征、复合材料设计及制造工艺要求,为复合材料产品的优化设计提供了参考。     

新型碳纤维增强复合材料-钢复合管海水海砂混凝土圆柱轴压试验

为研究原状海水海砂混凝土在复合管混凝土中的应用可行性,提出一种新型由内外壁纤维增强复合材料(FRP)和夹心钢管复合的碳纤维增强复合材料(CFRP)-钢复合管海水海砂混凝土柱结构。对12个新型CFRP-钢复合管海水海砂混凝土圆柱试件进行了轴压试验,研究了CFRP层数和核心混凝土强度等级变化对其轴压性能的影响。试验结果表明,内外壁CFRP的包裹能够有效地提高结构承载力和变形能力;CFRP-钢复合管海水海砂普通混凝土圆柱破坏形态为混凝土压溃,而CFRP-钢复合管海水海砂高强混凝土圆柱破坏形态为剪切破坏;结构的极限应力与CFRP层数、混凝土强度呈正相关,而极限应变随着CFRP层数增加而提高,却随着混凝土强度提高而减小;核心混凝土和钢管对极限应力的贡献随着CFRP层数增加基本不变,且当包裹两层及以上CFRP时,CFRP对试件极限应力的贡献占主导地位。      

聚乙烯拉伸缠绕膜专用料的应用

论述了拉伸缠绕膜的国内外应用状况,介绍了拉伸缠绕膜的应用领域及拉伸缠绕膜使用性能的要求,详细分析了拉伸缠绕膜聚乙烯专用料的开发进展和国内外拉伸缠绕膜聚乙烯专用料的典型性能,并对拉伸缠绕膜料的开发提出了建议.旨在使拉伸缠绕膜生产厂家了解国产原材料性能,从而尽可能地选择国产聚乙烯拉伸缠绕膜专用料,以降低生产成本.     

A Study on Polymer Composite Strengthening Systems for Concrete Columns

An experimental study was conducted to investigate the effects of various composite wrapping systems with different fibres (E-glass and carbon), resins (vinyl-ester and epoxy) and architectures on the strengthening efficiency for wrapped concrete columns. Raw material costs were evaluated to identify the cost-efficiency of each individual system. The results indicated that the use of E-glass fibres with vinyl-ester resin to reinforce concrete columns externally is effective with a low cost of raw materials. The epoxy resin-based system does not show much improvement in the load carrying capacity. The small R/T ratio (thickness of wrap/radius of concrete column) may cause a low strengthening efficiency. Glass fibre mats were hybridised with carbon fibre layers to obtain better mechanical properties and an increased thickness of the composite wraps. Reinforcing efficiency is also highly dependent on the composite architecture. The fibre reinforcement in the hoop direction gives a high confining efficiency to the concrete columns. However, a certain amount of fibres in the axial direction are still needed in designing composite wraps, especially for long, slender columns.     

缠绕型CFRP圆管轴压力学性能

缠绕型CFRP管由于其编织角度的灵活性可以根据需要设计出力学性能不同的管构件,而缠绕型CFRP管的受力安全性能是其分析和应用的基本问题之一。首先对3种不同缠绕角度和长细比CFRP管进行压缩试验,着重观察了树脂基碳纤维增强复合材料的刚度、极限强度以及细观破坏模式。其次基于Chamis C. C. 刚度修正模型、开发了可以模拟各向异性材料拉压双模量的本构子程序（Usermat）,从而将Chamis C. C. 刚度修正模型导入ANSYS主程序中。并采用复合材料Hashin破坏准则验证了其本构模型。在此基础上,对加载过程进行了数值模拟,与试验结果进行比较,证明本构模型具有很好的适应性。最后基于试验结果与数值分析结果,得到了缠绕型CFRP细长管屈曲荷载计算公式。     

考虑刀具磨损影响的CFRP复合材料钻削轴向力预测

在碳纤维增强树脂(CFRP)复合材料钻削过程中,随着刀具磨损量的累积,轴向力会逐渐增加,轴向力过大会导致CFRP复合材料一系列的加工缺陷。为实现在CFRP复合材料钻削过程中随刀具磨损量的累积轴向力变化的有限元分析及预测,建立了CFRP复合材料钻削仿真模型,通过对ABAQUS仿真软件二次开发,利用Python语言开发子程序,将考虑磨损量累积的轴向力预测模型导入仿真软件,运用ABAQUS软件对CFRP复合材料钻削中轴向力进行研究,实现了随着刀具磨损量累积轴向力变化的预测功能。随后通过CFRP复合材料钻削试验,分析了轴向力随钻削孔数的变化规律,以验证轴向力的预测结果。结果表明:3D钻削有限元模型能够良好地预测实际加工过程中刀具未磨损时轴向力的大小,其误差为9.10%;在考虑磨损量累积后,轴向力预测模型能够较准确地预测实际加工过程轴向力的大小,其最大误差不超过10%。