考虑纤维体积含量变化的纤维缠绕厚壁柱形结构的等强度设计

纤维缠绕厚壁柱形管道或容器在缠绕张力作用下会使缠绕纤维层的应力状态不断变化,形成沿壁厚力学性能非均匀的结构。依据缠绕过程中的纤维束应力状态分析和纤维束本构关系,获得了纤维体积含量与所受应力状态的关系。基于正交各向异性本构关系和双层筒模型的离散叠加法,建立了给定缠绕张力确定纤维缠绕厚壁柱形结构剩余张力的计算方法,并计算了等张力缠绕纤维层的纤维体积含量沿壁厚的分布。利用Tsai-Wu失效准则研究了纤维体积含量非均匀的厚壁柱形结构的纤维层强度。研究表明:缠绕工艺使内层纤维体积含量和强度均略高于外层,纤维缠绕厚壁柱形结构的强度分析和设计时应考虑这种影响;利用变化的缠绕张力设计可以实现强度比沿壁厚的均匀分布。     

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,P...     

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。     

纤维束张紧力缠绕复合材料飞轮的预应力简化分析

在纤维束缠绕时施加张紧力,使得固化成型后的飞轮内部形成一定的预加径向压应力,这是提高飞轮径向强度的有效方法之一。基于过盈配合的思想建立了计算张紧力缠绕导致的复合材料飞轮内部预应力和变形的简化模型和方法。通过算例分析发现:等张力缠绕产生的环向应力在半径方向上先减小后增大,径向压应力不断变小;变张力缠绕过程中,张紧力由小逐渐变大时,飞轮的径向压应力增大,径向强度提高;飞轮设计中仅仅依靠张紧力缠绕是不够的,还必须和固化成型后的厚壁筒之间的过盈套装一起来设计合理的径向预加压应力。     

纤维缠绕复合材料环形容器设计优化(英文)

纤维缠绕环形容器可充分利用空间,节省结构质量和消除系统质心漂移,目前在很多工业领域中发挥着日益重要的作用。本文基于复合材料层合理论和测地线缠绕原理,提出了纤维缠绕环形压力容器的线型优化设计方法。应用微分几何,导出了圆环面上测地缠绕轨迹和纤维不架空判据。以初始缠绕角和缠绕层厚度为变量,对结构重量进行最小化设计,得到了对应于不同管径比的优化缠绕线型。对优化线型进行了计算机缠绕仿真,并给出了缠绕铺层的各向正轴应力分布。结果表明,优化设计的缠绕线型模式精确可靠,满足纤维缠绕的基本要求。纤维缠绕角度大小更趋于合理,从而能充分发挥缠绕结构的力学性能,减经系统重量,使优化得到的环形容器结构性能比传统测地线缠绕环形容器有很大提高。本文的设计计算方法可直接用于复合材料环形气瓶的初步设计。     

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。     

不等开口纤维增强树脂复合材料缠绕壳体非测地线线型设计

线型设计是纤维增强树脂（FRP）复合材料缠绕壳体设计的一项重要研究内容,它对壳体FRP复合材料缠绕制品的质量起关键作用。本文针对不等开口极孔或不同形状封头的FRP复合材料压力容器壳体,基于非测地线缠绕方程,提出了一套非测地线缠绕线型设计方法,建立了根据已知缠绕线型和芯模转角来确定相应的切点数和纱片宽度的计算模型,开发出了一套FRP复合材料缠绕壳体仿真软件系统,对非测地线缠绕线型进行了计算机图像仿真与检验。结果表明:各个设计区间的仿真结果满足设计要求,没有出现缠绕角突变、纤维分布不规律和纤维在局部严重重叠等异常现象。该仿真软件系统可以为工程人员在实际壳体缠绕之前提供参考,缩短缠绕线型迭代试错周期,同时也为后续缠绕角及缠绕顺序等缠绕参数的优化奠定了基础。      

多角度交替缠绕复合圆筒的剩余应力算法及水压试验

针对含薄壁钢内衬碳纤维增强聚合物基复合材料（CFRP）多角度交替缠绕复合圆筒的剩余应力计算问题,基于正交各向异性材料的厚壁圆筒理论和弹性叠加理论,提出了考虑卸去芯模影响的多角度交替缠绕下CFRP各层和钢内衬剩余应力的逐层叠加算法,研究了恒缠绕张力下,芯模厚度和螺旋层缠绕角对CFRP各层和钢内衬剩余应力的影响。计算表明：芯模厚度越大则CFRP层剩余应力越低,但芯模厚度过大将减弱缠绕张力对钢内衬的强化效应;螺旋层缠绕角约65°时,环向层剩余应力出现极小值,螺旋层剩余应力和内衬剩余应力均出现极大值。针对缠绕张力对钢内衬的强化效应,通过水压试验加载过程中钢内衬声发射特征与复合圆筒外壁应变测试,测得的钢内衬屈服载荷与理论预测值一致,基本证实了算法的有效性。为提高CFRP层缠绕质量,基于等剩余应力假设,提出了多角度交替缠绕张力制度优化设计思路,适用于内压管的张力制度优化。     

任意角度复合材料厚壁管的轴对称问题分析方法

提出了一种任意角度复合材料厚壁管的轴对称问题的分析方法.传统的Lekhnitskii理论能够获得普通缠绕层复合材料厚壁管的精确弹性解,但是,当厚壁管内存在0°缠绕层或者各项同性材料层时,该两种特殊层都会出现奇异参数,从而导致特殊层与普通层界面的连续性条件不能被满足.因此,讨论了特殊层存在奇异参数的原因,并对这类参数进行...     

计及复合材料飞轮内孔卸载影响的多厚环套装的简化分析

纤维束张紧力缠绕的复合材料厚环固化成型以后,再抽出缠绕芯轴形成空心环,这一过程称为内孔卸载。本文作者在飞轮多环套装初应力分析和张紧力缠绕飞轮初应力分析的基础上,进一步给出了计及纤维束张紧力影响和复合材料厚环内孔卸载影响的多环过盈套装的简化分析,并给出了计算复合材料飞轮总体初应力场和变形场的公式。算例分析表明:内孔卸载后,纤维束缠绕的复合材料厚环的应力场和变形场均有明显的变化;和多厚环过盈套装的方法结合起来装配飞轮,可以有效地增大径向压应力,缓和环向应力;内孔卸载使得装配中的真实过盈量相对初始设定过盈量有较大的改变,必须充分考虑。      

内衬聚偏氟乙烯热塑层的纤维缠绕复合材料管径向平压性能

纤维缠绕角度、纤维缠绕层厚度及碳/玻纤维混杂比是影响内衬聚偏氟乙烯(PVDF)热塑层的纤维增强热固性复合材料缠绕管径向平压性能的重要因素,其性能直接决定复合材料缠绕管产品掩埋深度和抗碾压能力。将PVDF颗粒经挤出机制成PVDF管,然后以表面喷砂处理后的PVDF管为内衬芯管,采用湿法缠绕技术制备不同结构参数的复合材料缠绕管。利用管平行板外载平压性能测试方法,测试了3种结构参数对复合材料管径向平压性能的影响,并分析其破坏模式与失效机理。结果表明,随缠绕层厚度的增加,径向压缩强度和径向压缩模量逐渐增大;随着缠绕角度的增大,径向压缩强度和径向压缩模量先增大后减小;另外,随着碳/玻纤维混杂比的提高,复合材料缠绕管的压缩强度和压缩模量相应增加。     

Influence of filament winding parameters on composite vessel quality and strength

An experimental design investigation of manufacturing and design variables that affect composite vessel quality, strength, and stiffness was conducted. Eight 20-in. cylinders (with one additional cylinder as a replicate) were manufactured and tested for hoop strength, hoop stiffness, fiber and void volume fraction distribution through thickness, residual stress, and interlaminar shear strength. Material and processing variables were divided into five categories: (a) resin, (b) fiber, (c) fabrication process, (d) design, and (e) equipment. Five variables were selected (from a list of 12) for study using a 1/4 fractional factorial design of experiment setup. The five variables were: (a) winding tension, (b) stacking sequence, (c) winding-tension gradient, (d) winding time, and (e) cut-versus-uncut helicals.

Statistical analysis of the data shows that the composite vessel strength was affected by the manufacturing and design variables. In general, it was found that composite strength was significantly affected by the laminate stacking sequence, winding tension, winding-tension gradient, winding time, and the interaction between winding-tension gradient and winding time. The mechanism that increased composite strength was related to the strong correlation between fiber volume in the composite and vessel strength. Cylinders with high fiber volume in the hoop layers tended to deliver high fiber strength.     

复合材料发射箱体缠绕成型工艺研究

目的针对矩形截面复合材料箱体,对缠绕成型工艺进行研究。方法优选材料体系并进行结构优化设计,利用组合式成型模具,通过螺旋缠绕方式,突破矩形截面箱体缠绕张力控制与功能层快速铺放等关键技术。结果箱体通过了各项性能试验及环境试验考核。结论该工艺适用于树脂基复合材料发射箱箱体缠绕成型,其他等截面树脂基复合材料构件缠绕成型可参照使用。     

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。