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。     

纤维缠绕过程中的张力分析

在纤维、造纸、塑料及金属镀膜工业中,对线状、带状及面状弹性材料卷取张力的控制是关系到产品质量的关键技术。以开卷辊为研究对象,分析了纤维缠绕过程中张力变化规律及影响因素,并给出了计算张力控制力矩的程序框图。经过实际缠绕证明,所推导的公式是正确合理的,保证了纱线张力的波动率小于5 %。     

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。      

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...     

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。     

纤维缠绕玻璃钢三通管的研究

本文分析了中间为偏心球体的玻璃钢三通管缠绕规律,给出了纤维在臂-球-臂缠绕时架空高度计算式。文中分别讨论了三通管的测地线和非测地线缠绕,指出用单一线型进行测地线缠绕时,在柄-球交接处存在一微小三角空白区,需要进行补强,本文还推导了丝嘴平面运动时的运动方程,讨论了避免芯模与丝嘴碰撞的条件,为在价廉的计算机控制的简单缠绕机上实现中间为偏心球体的玻璃钢三通的缠绕提供了依据。      

复合材料干纤维增强回转体结构缠绕线型设计

复合材料干纤维缠绕增强结构可解决纤维缠绕树脂基复合材料结构耐冲击性差、低温环境树脂易失效等问题。干纤维增强结构缠绕过程中,纤维束重叠、压缩导致干纤维缠绕增强层各处厚度不一,会对缠绕线型稳定性产生影响。为满足缠绕线型稳定,研究了测地线干纤维缠绕增强层厚度变化及分布规律,分析了纱带宽度、极孔尺寸及芯模结构等参数对增强层厚度的影响,考虑芯模厚度的变化,逐层更新干纤维缠绕增强结构数学模型,进行了缠绕轨迹计算,获得测地线缠绕线型。缠绕实验表明：理论仿真获得的复合材料干纤维缠绕增强容器增强层厚度准确,缠绕线型稳定,无滑纱现象,验证了纤维厚度与缠绕轨迹计算方法的可行性和干纤维增强层厚度仿真的正确性。     

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。     

内外压作用下纤维缠绕厚壁柱形容器的强度

研究各向同性材料内胆外对称均衡缠绕纤维的厚壁圆柱形容器在内外压力作用下的应力和强度特性。采用正交各向异性本构关系和轴对称厚壁筒理论, 获得纤维层和内胆的应力, 以及纤维方向三向应力的解析公式。利用Hoffman和Tsai-Wu失效准则研究薄壁筒理论和三维应力对应的强度随壁厚和缠绕角的分布规律。计算比较了有、 无内胆的纤维缠绕容器的强度随缠绕角的变化情况。利用ANSYS软件的层合单元SOLID191建立的模型给出的纤维向应力和强度比与本文理论结果吻合很好。研究发现: 基于层合板理论的二维纤维向应力公式给出了不准确的纤维向应力, 不准确的横向应力造成容器纤维层的强度值偏低; 不同的纤维类型和缠绕角, 厚度-半径比对强度比的影响不同; 基于二维应力分析的薄壁筒理论给出的纤维层强度比小于三维分析的结果; 缠绕角对无内胆的缠绕容器强度比的影响比有内胆的更敏感。      

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。     

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。      

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.     

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。     

The simultaneous process of filament winding and curing for polymer composites

The simultaneous process of filament winding and curing a composite cylindrical shell is considered. From the macrokinetic point of view it is characterized by the small thickness of the relative effective reaction zone. The thermochemical conditions in manufacturing are governed by the following process variables: speed of winding, initial conversion and temperature of the filament bundle wound, and the heating applied. A thermochemical model is developed for simulation of the temperature and conversion distributions during the process. An approximate solution of the thermochemical model in the form of the constant traveling wave is derived for constant values of process variables and a thermally isolated mandrel. A non-uniform cure stress model of the process is developed for the case of using elastic orthotropic constitutive relations for a composite material. It is found that the thickness of the relative effective reaction zone drastically influences the cure stresses. The dependence of the stress level on the process variables is analyzed.     

复合材料缠绕接头设计

复合材料接头由于其轻质、高强及可设计性好等特点,被越来越多地运用于国外大型民用飞机的结构设计中.本文通过有限元建模,对一种新型的复合材料缠绕接头在拉伸和压缩载荷下的力学响应进行研究.主要围绕基础型、梭型和锥型三种典型的接头形式,比较了不同构型对缠绕接头力学性能的影响.结果表明,三种典型构型的复合材料缠绕接头均具有较好的...     

缠绕线型对缠绕复合材料圆管轴向拉伸失效的影响

采用细观刚度模型的有限元分析（FEA）与改进的逐渐累积损伤方法相结合,建立了缠绕复合材料圆管轴向拉伸失效的分析方法与流程,以揭示缠绕线型对缠绕复合材料损伤失效的影响。对沿圆周方向分布有1个、3个和5个单胞的3种不同线型的缠绕复合材料圆管试件进行轴向拉伸破坏实验,获得其失效形式、平均拉伸强度及其随缠绕线型的变化规律。研究表明：缠绕复合材料圆管轴向拉伸失效主要以丧失承载能力的功能失效为主,缠绕线型对其拉伸强度有一定的影响;数值分析结果表明,轴向拉伸过程中,主要损伤为基体开裂与基纤剪切,纤维交叉容易引起损伤起始与扩展。     

缠绕纤维与芯模表面间滑线系数的测量表征

提出了一种新的滑线系数测量方法, 并基于一般曲面稳定缠绕条件, 设计了一种能够简便快捷测量滑线系数的新型芯模。该芯模在固定缠绕角情况下, 沿母线方向任意点处的纬度圆半径与该点的滑线系数之间满足线性关系。利用该方法及其装置对碳纤维和玻璃纤维在不同缠绕速度、缠绕张力和胶液黏度等条件下与铝质芯模间的滑线系数进行了测量表征。研究结果表明, 该方法可为缠绕纤维与芯模表面间滑线系数的测量及非测地线缠绕轨迹规划设计提供依据。     

基于BP神经网络的Ni-SiC复合电沉积工艺参数优选研究

在复合电沉积工艺中,通过优选工艺参数可以获得纳米颗粒复合量较高的复合沉积层,以使其具有某些特殊的性能。本文运用正交试验法优化了对复合沉积层中纳米颗粒复合量有较大影响的各工艺参数,然后用BP神经网络分析方法对其结果进行分析处理。预测并得到较正交试验法所得最优工艺水平组合时复合量更高的复合沉积层,同时对所得复合沉积层进行了表面形貌观察和能谱分析。