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。     

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...     

有限长厚壁圆筒空间轴对称问题的高级康托洛维奇应力变分解

本文对空间轴对称问题采用事先满足柱面应力边界条件和平衡方程的应力表达式进行变分与积分运算：推导出康托洛维奇法高级近似的欧拉方程和相应的端部条件;通过推导和实例计算表明了其数学计算方法和原则：厚壁圆筒的实例计算结果与解析解进行了对照,本文高级近似使应力值的精确度明显地高于文献［２］的一级近似。     

计算圆筒动态应力强度因子的有限元方法与叠加积分方法

本文计算了厚壁筒的动态应力强度因子，研究了有限单元法计算动态应力强度因子的几个主要问题，提供了合理计算方案，本文还提供了计算厚壁筒动态应力强度因子的叠加积分法，方便于各种动态内压下的动态应力强度因子的计算。     

碳纤维缠绕复合材料在潜水外压容器上的应用

在铝合金圆筒体外以浸渍树脂碳纤维进行缠绕复合增强，增强后的筒体耐静水外压能力大幅度提高；整体缠绕的全复合材料筒体，在耐静水外压能力及减轻自身重量方面也获得了明显的效果。此外，在铝合金细长圆管的外壁复合缠绕碳纤维，能有效地提高圆管对轴向压载荷的抗失稳与抗屈曲破坏能力。     

纤维缠绕复合对细长铝合金圆管轴向承压的增强作用

在硬铝合金（ＬＹ－１１铝合金）细长圆管的外壁以不同方式缠绕复合碳纤维，并对缠绕前后圆管承受轴向压载荷能力进行了对比试验。试验结果表明，细长圆管外壁缠绕碳纤维后，圆管的抗弯曲变形及抗压极限承载能力都得到大幅度提高。本文对未经缠绕的承压管的稳定性及理论临界应力进行了探讨，对采用碳纤维缠绕复合后的细长管轴向承压能力得以提高的原因作了分析。     

基于裂纹尖端应力比值的含裂纹功能梯度材料圆筒应力强度因子计算方法

由于功能梯度材料（FGM）性质的特殊性,现有含裂纹FGM结构应力强度因子计算方法难以避免复杂的矩阵运算以及数值积分。该文针对含外表面环向裂纹FGM圆筒,利用FGM圆筒与均匀材料圆筒裂纹尖端应力之间的比例关系,将复杂的FGM圆筒应力强度因子求解问题转化为简单的应力值提取问题以及经验公式计算问题,仅由均匀材料圆筒应力强度因子经验公式、均匀材料圆筒和FGM圆筒裂纹尖端应力比值即可得到任意含裂纹FGM圆筒应力强度因子。该方法仅需建立2D轴对称模型即可满足计算要求,在保证精度的基础上成功回避了传统方法中的复杂矩阵运算以及数值积分,且适用于不同FGM、筒体尺寸、裂纹深度等情况下的应力强度因子计算。通过多组算例对比分析,证明该方法计算精度高、计算过程简便,便于工程应用。     

拉深比对304不锈钢圆筒件残余应力的影响

304不锈钢圆筒拉深件在其口部易发生纵向开裂,外壁残余拉应力过大是造成其纵向开裂的根本原因之一.本文结合有限元法分析不同拉深比所得圆筒拉深件的残余应力,用纳米压痕试验研究了拉深比对304不锈钢圆筒拉深件筒壁残余应力的影响.结果表明:304不锈钢圆筒拉深件外壁的残余拉应力从筒底到口部先增大后减小,最大残余应力出现在筒壁中部约60%筒壁高度处;纳米压痕测得拉深比为1.43、1.54、1.67和1.82拉深圆筒件筒壁的最大残余应力分别为391.87、745.30、793.74和1 013.1 MPa;最大残余应力随拉深比的增大而增大.与其他文献对比分析,此研究结果是正确可靠的.     

有限长厚壁圆筒康托洛维奇应力变分解端部偏差的修正

本文指出文献[4]、[5]在用康托洛维奇应力变分法解有限长厚壁圆筒轴对称问题时存在的端部应力偏差;提出一个消除该偏差的反向端部效应的问题;通过简单计算推导出满足其全部应力边界条件与平衡微分方程的应力表达式,并用应力变分法求得其解答;数值计算结果表明,该解答较好地修正了文献[4]中端部附近应力的偏差。     

对铝合金内胆碳纤维全缠绕复合气瓶的水压试验结果分析

根据制造厂实际试验数据和气瓶容积变形的统计分析,对同一时期10批次近1600只复合气瓶的水压试验结果进行了比较,结果表明,复合气瓶通过自紧压力后可有效提升产品容积变形同一性。水压试验后复合气瓶的容积残余变形值分散率大大降低。     

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。     

Fiber and interface strength distribution studies with the single-fiber composite test

Application of the single-fiber composite (sfc) tension test for fiber and interface strength determination is discussed. Fiber breaking and fiber/matrix debond propagation are modelled by Poisson processes. Fiber fragment length distribution as well as debond length dependency upon the applied stress are derived and their interrelation revealed.

Acoustic emission monitoring of the sfc during a test is utilized to obtain the dependency of mean fragment length upon stress and consequently on the Weibull distribution shape and scale parameters. Excellent agreement with data obtained by notoriously complicated conventional fiber tests is observed.     

纤维束交叉起伏对缠绕复合材料刚度的影响

纤维缠绕过程会在局部区域形成纤维束的起伏、交织。针对起伏区域纤维束的非正交交织的特点,提出一种缠绕复合材料刚度的计算方法:先通过螺旋缠绕角度和起伏层倾斜角度,将三维刚度进行两次转换,然后将转换后的起伏区域的三维刚度转化成缠绕层面内二维有效刚度;利用二维有效刚度,将缠绕复合材料刚度系数A_ij、B_ij和 D_ij各项在起伏区域上进行数值积分取平均值,再利用转换矩阵得到缠绕复合材料的整体刚度矩阵。算例的结果表明,考虑了纤维束的起伏、交织后缠绕复合材料刚度矩阵发生了一些变化,特别是耦合刚度的变化更为明显。      

复合材料格栅圆柱筒稳定性数值仿真与试验

作为一种典型的航空航天结构,复合材料格栅圆柱筒的轴压稳定性决定了航天器结构的极限承载能力。现有的均匀化等效法和梁-壳有限元法模拟均存在一定的不足。考虑到肋条的局部应力和稳定性问题,将肋条等效为壳单元,提出了全壳有限元法。结合某型号飞行器复合材料格栅承力筒,分别采用这3种方法进行了轴压稳定性研究,同时设计了全尺寸轴压破坏试验。对比数值计算和试验结果得知两者的一致性较好,并且验证了该型号飞行器设计的合理性。均匀化等效法、梁-壳有限元法和全壳有限元法得到的结果与试验值的偏差分别为14.9%、9.5%和5.2%。全壳有限元法精度最高,并且能准确预测结构破坏位置,为同类结构的设计提供了参考。     

玻璃纤维复合材料静载荷声发射试验研究

通过对玻璃纤维复合材料试件静力载荷条件下的声发射试验,研究了该种材料在静力试验条件下的损伤破坏过程的声发射特性,分析了该材料损伤各阶段的声发射特性和对应的载荷比,系统而完整地得到了该材料损伤类型特征及声传播特性。试验证明:对玻璃纤维复合材料进行静力载荷条件下的声发射试验研究,可有效并清晰地揭示该材料在静力试验条件下损伤破坏过程中的声发射特性及材料损伤类型特征,为该材料的寿命健康监测、缺陷判定提供评价依据。     

含冲击损伤缝合层板剩余压缩强度

通过对含冲击损伤缝合复合材料层板进行压缩实验,揭示了含损伤缝合层板在压缩载荷下的破坏模式和破坏机制.将冲击损伤等效为圆孔,利用杂交单元计算冲击后缝合层板的应力分布,采用基于特征曲线概念的点应力判据预测了含损伤缝合层板的剩余压缩强度.研究结果表明:冲击损伤近似为圆形;缝合和未缝合层板冲击后压缩的损伤模式不同;采用开口等效法可以有效分析缝合层板的剩余压缩强度;特征距离、损伤面积是影响计算结果的主要因素.     

含冲击损伤缝合层板剩余压缩强度

通过对含冲击损伤缝合复合材料层板进行压缩实验, 揭示了含损伤缝合层板在压缩载荷下的破坏模式和破坏机制。将冲击损伤等效为圆孔, 利用杂交单元计算冲击后缝合层板的应力分布, 采用基于特征曲线概念的点应力判据预测了含损伤缝合层板的剩余压缩强度。研究结果表明: 冲击损伤近似为圆形; 缝合和未缝合层板冲击后压缩的损伤模式不同; 采用开口等效法可以有效分析缝合层板的剩余压缩强度; 特征距离、 损伤面积是影响计算结果的主要因素。     

含孔复合材料层合板孔边的应力集中

针对含孔有限宽复合材料层合板的应力集中问题,提出一种计算孔边应力分布及应力集中因子的方法：先利用经典层板理论,将复合材料层合板化归为各向异性板;再将各向异性板等效转换为一偏轴拉伸的单向纤维层板;最后利用含孔偏轴单向板的孔边应力计算公式来分析一般铺层层合板孔边应力集中情况。根据所推导的计算公式,分析讨论了板宽/孔径比、铺层比例、铺层方式、材料性能参数等因素对孔边应力集中的影响。     

Experience with the use of the acoustic emission technique for monitoring scale failure in wet and dry environments

Abstract

A brief survey of the acoustic emission technique for monitoring scale cracking and failure on 2.25–24% Cr steels in wet and dry environments is given. A number of acoustic emission test rigs are described. Some of the more simple test rigs are used for testing small oxidation coupons during isothermal oxidation. More sophisticated rigs have been used for testing full size heat exchanger tubes during thermal cycling.

Most acoustic emission measurements in a wet environment come from testing at temperatures below 650°C. There are examples from Alloy 800 and thermal barrier coatings that were tested at higher temperatures, 900°C and 1100°C, respectively. Through the years acoustic emission tests have been performed in dry air, dry air+10%H₂O, dry air+0.5%SO₂, and Ar+5%H₂+50%H₂O. Consequently, a wide variety of exposure temperatures and atmospheres can be investigated using acoustic emission techniques.

Qualitative acoustic emission results can detect when scale cracking occurs at exposure temperature, where such cracks are produced by growth stress. Acoustic emission signals have been measured during sample cooling, where the signal arises from scale cracking that is caused by the thermal expansion mismatch stress. Measured results have clearly shown that scale cracking caused by both growth stress and thermal expansion mismatch stress are affected by water vapor in the exposure environment. Post-test metallographic investigations show that crack orientation and the oxide scale phases are also affected by the gas composition in the test rig. Additionally the sample mass gain and scale thickness is affected by water vapor content.

Finally, acoustic emission techniques are helpful for understanding the phenomena of breakaway oxidation and spallation/exfoliation.     

Optimal solid shell element for large deformable composite structures with piezoelectric layers and active vibration control

In this paper, we present an optimal low‐order accurate piezoelectric solid‐shell element formulation to model active composite shell structures that can undergo large deformation and large overall motion. This element has only displacement and electric degrees of freedom (dofs), with no rotational dofs, and an optimal number of enhancing assumed strain (EAS) parameters to pass the patch tests (both membrane and out‐of‐plane bending). The combination of the present optimal piezoelectric solid‐shell element and the optimal solid‐shell element previously developed allows for efficient and accurate analyses of large deformable composite multilayer shell structures with piezoelectric layers. To make the 3‐D analysis of active composite shells containing discrete piezoelectric sensors and actuators even more efficient, the composite solid‐shell element is further developed here. Based on the mixed Fraeijs de Veubeke–Hu–Washizu (FHW) variational principle, the in‐plane and out‐of‐plane bending behaviours are improved via a new and efficient enhancement of the strain tensor. Shear‐locking and curvature thickness locking are resolved effectively by using the assumed natural strain (ANS) method. We also present an optimal‐control design for vibration suppression of a large deformable structure based on the general finite element approach. The linear‐quadratic regulator control scheme with output feedback is used as a control law on the basis of the state space model of the system. Numerical examples involving static analyses and dynamic analyses of active shell structures having a large range of element aspect ratios are presented. Active vibration control of a composite multilayer shell with distributed piezoelectric sensors and actuators is performed to test the present element and the control design procedure. Copyright © 2005 John Wiley & Sons, Ltd.