复合材料环向缠绕飞轮轮体工艺应力研究

在平面应力微分方程中考虑温度影响,可以得到复合材料轮体在制造和使用过程中更真实的应力应变情况。计算结果表明常规固化降温过程产生的应力足以使厚壁圆筒开裂。为解决复合材料环向缠绕飞轮在固化以及旋转时径向强度不足的难题,文中提出采用纤维加力缠绕施加径向压预应力,配合及时在线电子束固化的新工艺方法。将新方法中的加力缠绕过程等效为薄层过盈配合,统一加力缠绕和过盈配合两种制造方法以及后续升降温和旋转等工况下的计算问题。最后编制Matlab程序,给出算例,结果表明新工艺方法对径向应力改善明显。     

气瓶内衬屈服强度对环缠绕复合气瓶疲劳性能影响的研究

为考察气瓶内衬材料的屈服强度对环缠绕复合材料气瓶(CNG-Ⅱ)性能影响,利用有限元数值模拟的方法,在气瓶的结构参数、纤维缠绕层参数、内衬材料的抗拉强度、自紧压力一定的情况下,研究内衬屈服强度变化对气瓶疲劳寿命的影响。有限元分析结果表明,随着内衬材料屈服强度的增加,CNG-Ⅱ复合气瓶的自紧效果变差,工作压力下所受环向平均应力增大,疲劳寿命降低。同时,对三种不同规格尺寸的环缠绕气瓶在不同屈服强度下的疲劳试验数据进行分析,进一步验证了复合气瓶的寿命随着内衬屈服强度的增加而减小。因此,在CNG-Ⅱ复合气瓶的生产过程中,有必要在一定程度上降低内衬的屈服强度,以改善复合气瓶的性能。     

环缠绕钢内胆复合气瓶轴向破裂原因分析

为了研究环缠绕钢内胆复合气瓶(CNG-Ⅱ)轴向破裂原因,对实际CNG-Ⅱ气瓶水压爆破试验中出现轴向破裂的气瓶进行有限元分析。对比水压爆破试验结果和有限元分析结果,验证有限元建模的准确性。在此基础上,对受试气瓶进行应力分析,研究气瓶内胆和缠绕层的应力分布,得出气瓶在爆破压力下,内胆筒体段轴向应力大于环向应力,产生超压破坏,发生轴向破裂。     

纤维环向缠绕复合材料气瓶冲击损伤容限研究

为研究纤维缠绕复合材料层CNG气瓶冲击后损伤容限问题,采用疲劳应变比率作为损伤变量,建立疲劳累积损伤模型;对气瓶缠绕层的冲击损伤剩余强度采用开孔等效计算方法,应用Nuismer—Whitney平均应力准则,关联疲劳累积损伤函数中的最大应力与拉伸载荷下的含孔层合板剩余强度的关系,建立适用于在疲劳载荷下的含孔层合板结构剩余强度的估算方法,用于复合材料CNG气瓶冲击剩余强度的预测。结果表明,文中提出的分析模型预测结果与专家提出的复合材料气瓶冲击损伤评定标准基本吻合。     

缠绕层表面缺陷对CNG-2复合气瓶爆破压力的影响

为了研究复合材料层表面缺陷对于CNG-2复合气瓶爆破压力的影响,通过考察实际的表面缺陷形状,将复合层表面缺陷简化为一定尺寸的矩形槽。对带有2 mm深度矩形槽型缺陷的复合气瓶进行爆破试验,并利用有限元数值计算软件ANSYS计算其爆破压力,以分析2 mm深矩形槽型缺陷对气瓶爆破压力产生的影响及其原因。结果表明,矩形槽型表面缺陷对于气瓶内衬应力的影响并不明显,而对缠绕层应力影响较大,缠绕层矩形槽型缺陷底面的应力超过复合材料抗拉强度保证值,使得复合气瓶爆破压力减小。     

纤维缠绕固体火箭发动机壳体的力学数值仿真

针对某种纤维缠绕复合材料固体火箭发动机壳体,依据原壳体在ABAQUS中建立了有限元模型,建模过程中将纤维缠绕层视为层合板来处理,简化了模型,并对发射瞬态进行有限元数值计算,分别求出了环向层6层的应力和缠绕层6层的应力,以便于强度分析,并对于铺层方案进行求解,得出数据结论,数据结果与实际情况符合,研究结果为纤维缠绕固体火箭发动机优化分析提供了理论依据。     

含缠绕层缺陷大容积缠绕气瓶安全性能与评定研究

为研究缠绕层体积性缺陷及线性缺陷对大容积缠绕气瓶安全性能影响,通过对带有不同尺寸缠绕缺陷的大容积缠绕气瓶进行疲劳试验、爆破试验,并采用有限元分析等方法研究了不同尺寸的缠绕层缺陷对内胆应力状态、缠绕层应力状态影响。通过有限元分析,对于面积为250 mm×250 mm,深度为3 mm的体积性缺陷,内胆应力几乎未变,缠绕层应力增加38.9%,经历11 000次疲劳试验,未发生变化。在爆破试验中,对于含面积为250 mm×250 mm缠绕层缺陷的大容积缠绕气瓶,当缺陷深度分别为3 mm时,爆破压力下降9.9%,略低于设计爆破压力,仍满足安全使用要求,当缺陷深度为6 mm时,爆破压力大幅下降20.9%。研究结果表明,对于轴向长度不超过250 mm,深度不超过3 mm的缠绕层缺陷,大容积气瓶安全性能仍满足使用要求,如缺陷深度超过3 mm,可评定为Ⅲ级。     

复合材料缠绕层缺陷深度对CNG-2气瓶强度影响的研究

通过创建一种特殊的模型路径叠加分析方法,利用有限元技术,研究和探讨了具有给定缺陷长度和不同缺陷深度的CNG-2气瓶的应力状态改变及状态叠加方法.通过重点研究不同缺陷深度对CNG-2气瓶内胆强度的影响,发现缠绕层缺陷深度变化对于缺陷局部附近的气瓶内胆强度和使用安全性有重要影响,而远离缺陷部位的内胆简体的性能几乎不受缠绕层缺陷深度的影响.     

缠绕层表面2 mm 深椭圆损伤对 CNG -Ⅱ复合气瓶应力的影响

为了研究缠绕层外表面损伤对于CNG-Ⅱ复合气瓶安全性能的影响，通过考察实际气瓶表面损伤形状，将复合气瓶表面损伤简化为一定尺寸的椭圆形凹坑。对缠绕层表面带有2 mm深度椭圆形凹坑损伤的复合气瓶进行爆破试验，利用有限元软件ANSYS计算其爆破压力。比较试验爆破压力和数值分析结果，验证数值分析方法的正确性。在此基础上，对带椭圆形凹坑损伤的CNG-Ⅱ复合气瓶进行应力分析，得出缠绕层外表面椭圆形凹坑损伤对气瓶安全性能造成不良影响。     

超薄单层复合材料缠绕压力容器承载性能研究

针对压力容器承载性能,基于经典层合板刚度等效理论,提出了一种可以考虑复合材料缠绕层单层厚度的压力容器承载性能分析方法;与实际铺层有限元模型进行对比,验证了分析方法的有效性;对不同单层厚度的复合材料进行了单向拉伸试验,获得材料强度与单层厚度的关系;分析了超薄单层复合材料缠绕压力容器的应力分布、失效系数分布及失效压力。结果表明,超薄单层复合材料缠绕压力容器的应力和损伤分布更为均匀,失效内压较常规单层厚度复合材料可提高54.5%。该研究成果可为超薄单层复合材料缠绕压力容器的结构设计提供可靠的理论参考。     

酚醛树脂基玻璃纤维预浸带缠绕圆筒工艺参数优化

相较于传统的复合材料成型方法,预浸带缠绕技术凭借其独特的成型特点已发展成为筒形类构件重要的制造手段。缠绕过程中,多种工艺参数耦合作用,不可避免地使制品存在残余应力,继而引起不同形式的制品缺陷。基于此,针对预浸带缠绕圆筒工艺进行分析,以缠绕张力、缠绕温度及缠绕速度为参数变量,并采用Box-Behnken方法进行实验设计;同时,利用二次多项式回归模型建立制品残余应力与输入参数之间的映射模型,并通过方差分析验证了模型的可靠性及有效性,继而讨论了工艺参数耦合对残余应力的影响规律;最后采用响应面法对获得最优工艺参数组合进行实验,实验结果表明最小残余应力为22.52 MPa,最大预测误差为6%,结果满足工程要求。     

钢带缠绕预应力模具缠绕过程的数值模拟

针对钢带缠绕预应力模具的缠绕过程,开展了定张力条件下缠绕过程的数值模拟,解决了模拟中出现的壳单元接触、沙漏现象、钢带抖动等方面的问题.根据研究结果发现,随着缠绕层数的增加,模具表面预紧力增长的速度减小;预紧力在轴向方向分布具有不均匀性,中间位置数值最大,由中间向两端逐渐减小,存在端部效应;圆周方向预紧力出现波动,且波动随缠绕层数的增加愈加剧烈;模具内表面节点径向位移比外表面大.     

预应力CFRP／GFRP混杂纤维布加固混凝土梁的预应力损失试验研究

层内混杂CFRP／GFRP纤维布是一种用土木工程加固的新材料。CFRP具有高强度、高弹性模量的特点,但延性较差,GFRP相对于CFRP可起到互补作用。预应力CFRP／GFRP混杂纤维布加固混凝土梁,纤维布施加预应力后出现应力松弛,产生预应力损失。试验表明,在纤维布张拉结束后的3h内预应力损失较为明显,其后预应力损失变化缓慢而逐渐趋于平稳。张拉结束约9h后,预应力损失基本不再继续增大,最终的预应力损失占到张拉预应力约22％,损失程度在正常范围之内;张拉结束后3h的预应力损失占到总共预应力损失约87％,预应力损失主要在张拉结束后的3h内完成。     

基于三剪统一强度准则的厚壁圆筒自增强分析

基于三剪统一强度准则,考虑材料应变强化效应、包辛格效应、拉压异性及中间主应力的影响,采用双线性强化材料模型对厚壁圆筒进行自增强分析,得到了厚壁圆筒加载应力、残余应力和工作应力的解析解,提出了最佳自增强压力的计算方法,探讨了拉压比、强度准则变化参数的影响,比较了自增强处理和非自增强处理及双线性强化模型和理想弹塑性模型厚壁圆筒的应力分布差异。研究结果表明：厚壁圆筒的最佳自增强压力随半径比和强度准则参数的增大而增大;工作时的最大等效应力随半径比和强度理论参数的增大而减小,随拉压比的增大而增大;自增强等效应力的最大值在弹塑性分界面处,且应力沿壁厚的分布较均匀;与理想弹塑性模型相比,双线性强化模型所对应的弹塑性分界面半径和残余应力较小,且随着自增强压力的增大,两种模型的差值越来越大;等效应力随半径比的变化规律可为厚壁圆筒选择合理的壁厚提供一定的参考;自增强技术可改善厚壁圆筒工作时的实际应力分布,提高其极限承载能力。     

数控布带缠绕机机构实现及工艺方法研究

数控布带缠绕机是复合材料成型工艺中使用的关键设备之一。本文首先介绍了3种典型的布带缠绕方式——平行缠绕、重叠缠绕、斜叠缠绕及实现要求,同时对它们的特点进行了详细的分析比较;其次介绍了一种多功能(缠绕、磨削、测量)数控布带缠绕机的结构及各部分实现的功能;最后针对影响缠绕制品质量的关键物理参数(张力、压力、温度),结合实际应用,提出了一整套的参数控制方法。实验证明,采用本文方案研制的数控布带缠绕机有效地解决了复合材料成型过程中的关键技术问题,能够满足复合材料缠绕部件的加工性能要求。     

A taper tension profile maker in a converting machine

Winding is an integral operation in almost every web handling process, and a center-wound roll is one of the suitable and general schemes in a winding system. However, improper internal stresses within a center-wound roll can cause damage such as buckling, spoking, cinching, etc. Wound roll quality and performance are known to be related to the distribution of in-roll stresses. It is therefore necessary to analyze the relationship between taper tension in the winding section and internal stress distribution within the center-wound roll to prevent winding failure. But it is hard to compensate for an undesirable winding roll shape such as starring, buckling, and telescoping. This is because the winding section is the final process in a roll to roll system and has no feedback control system to correct winding roll shape directly. A time varying tension profile and accurate control of it in a winding section is one way to shape the fail-safe in-roll stress distribution of a winding roll. In this study, a new taper tension profile making method is aimed for designing high quality wound rolls. A new method to determine the proper taper tension profile was designed by analyzing the winding mechanism which includes the stress model in center-wound rolls, nip induced tension model, relationship between taper tension profile and telescoping, relationship between taper tension type and internal stress distribution. An auto taper tension profile making method was proposed not only to optimize radial stress distribution but also to minimize lateral error (telescoping). Simulation results show that the proposed method is very useful for determining the desirable taper tension profile during the winding process and preventing defects of winding roll shape such as telescoping, starting, and dishing and so on.     

数控缠绕机张力在线检测系统的设计

针对缠绕加工的实际状况，在分析系统需求的基础上，设计了数控缠绕机张力的在线检测系统。系统采用曲线拟合的数学描述方法实现对张力传感器的标定，通过复合滤波消除干扰，并运用数据库技术管理组织数据。系统采用多个传感器对每束纱线的张力进行检测。系统已在相关航天部门使用，实际应用证明，系统运行稳定，测量数据准确、可行。     

重型燃机压气机盘淬火应力场的计算机模拟

利用有限元法研究了某重型燃机压气机盘在淬火过程中的应力场分布。模拟计算中，采用等效热容法处理相变潜热对淬火温度场的影响，采用等效线胀系数法处理相变引起的组织应力，同时考虑了材料热物性参数和力学性能参数的温度相关性。模拟结果表明，在淬火初期，由于热应力的作用使工件表面受拉而心部受压，随着相变的发生，应力发生了多次转向，最后形成了表面受压心部受拉的残余应力分布。在油淬过程中，工件内持续承受较高的拉应力，而空冷时承受的内应力较小，从而避免了工件的变形和开裂。     

外弯矩下螺栓法兰连接紧密性研究

为准确分析螺栓法兰连接系统的紧密性,利用当量内压法﹑当量轴向力法和变形协调方程,研究外弯矩作用下螺栓法兰连接中的垫片压紧应力。分析结果表明:若利用当量内压法来计算,外弯矩等同于内压,相当于增大了系统的内压,但并不能体现出外弯矩作用下垫片应力在螺栓法兰连接系统分布的不均匀性;而利用当量轴向力法来计算,可以体现出整个系统在承受外弯矩作用导致的垫片应力沿管道圆周方向按余弦分布的不均匀性,并且垫片受拉侧和受压侧的压紧应力相差增大,其中受拉侧垫片应力减小,受压侧垫片应力增大,因此螺栓法兰连接的紧密性需重点考虑受拉侧的垫片应力。