基于非测地线纤维缠绕压力容器线型设计与优化

为较好地满足纤维轨迹路径的稳定与均布,与传统测地线缠绕模式不同,提出了非测地线纤维缠绕压力容器的纤维线型方程,给出了非测地线型模式和缠绕参数的最优化设计方法,分析了环形缠绕机芯模和丝嘴的相对缠绕速比,结合均匀布满条件对优化线型进行了调整。将计算机仿真技术应用到环形容器的缠绕线型设计与验证中,研究了CAD系统各组成模块的功能及实现方法,对非测地线缠绕成型进行了计算机图形仿真与检验。结果表明:设计得到的非测地线满足缠绕工艺的基本要求;采用最优化的非测地线模式进行缠绕,可使非测地线缠绕角集中在筒形压力容器的最佳缠绕角55°附近,有效提高了压力容器的结构承载性能。      

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。     

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。     

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。      

基于机器人的复合材料缠绕策略优化

基于机器人的复合材料缠绕不同缠绕策略会对缠绕工艺及机器人运动稳定性产生影响, 为获得使机器人运动稳定性更优的缠绕策略, 研究了6自由度工业机器人的复合材料缠绕工作站, 单独分析了包络形式、悬纱长度以及测地线/非测地线缠绕等参数对缠绕工艺及机器人运动稳定性的变化参数的影响, 采用MATLAB进行不同缠绕策略的机器人缠绕轨迹计算, 确定规划后的缠绕轨迹, 基于ADAMS和MATLAB进行机器人缠绕动力学联合仿真, 获取机器人各关节力矩曲线, 分析规划后的缠绕轨迹对机器人运动稳定性的影响。进行了复合材料制品干纤维缠绕实验, 缠绕实验表明:采用优化后的缠绕策略进行复合材料制品缠绕时缠绕线型稳定, 缠绕过程无滑纱、交叠、架空等现象, 缠绕精度完全满足设计要求。      

T700碳纤维增强树脂复合材料气瓶封头非测地线缠绕强度

利用微分几何理论和四阶龙格库塔法求解气瓶封头上T700碳纤维增强树脂复合材料（CFRP）非测地线缠绕角微分方程,得到稳定的非测地线缠绕轨迹;利用有限元仿真软件建立T700 CFRP缠绕气瓶有限元模型,分析不同非测地线轨迹对工作压力（30 MPa）下T700 CFRP缠绕气瓶强度的影响,并采用渐进损伤模型分析爆破压力的变化规律。对于封头高h=50 mm的T700 CFRP缠绕气瓶,滑线系数为0.2时承载能力最强,比T700 CFRP测地线缠绕气瓶提高了7 MPa,约为6.4%;对于封头高h=160 mm的T700 CFRP气瓶,滑线系数为0.2时承载能力最强,比T700 CFRP测地线缠绕气瓶提高了6 MPa,约为11.5%。结果表明,优化设计得到的缠绕线型既能满足缠绕工艺的基本要求,又提高了T700 CFRP缠绕气瓶的结构力学性能,可为实际缠绕工艺提供参考。      

钛内衬复合材料环形气瓶结构设计与优化EI北大核心CSCD

根据微分几何,推导环形气瓶测地线缠绕轨迹以及缠绕角应满足的稳定缠绕条件,并针对不同切点数进行线型轨迹仿真。基于有限元分析,针对钛合金内衬环形气瓶的初始缠绕角及缠绕层数进行优化设计,并评估对比有、无环向补强层的环形气瓶承载能力。结果表明:本文设计的测地线轨迹精确可靠,很好地满足环形气瓶的缠绕工艺性。优化设计的缠绕参数既满足工艺可缠性,又能提高环形气瓶的结构性能。此外,有环向补强层的气瓶爆破强度提高了14%,钛合金内衬屈服强度提高了24.8%。因此,采用环向补强层有利于进一步提高环形气瓶的承载性能。水压实验结果表明本文设计方法预测的变形和爆破压力与实验值吻合良好。     

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。      

纤维缠绕机的运动方程及计算机程序设计

本文综述了在回转表面上实现测地线缠绕与非测地线缠绕计算的一组公式。包括:缠绕机的运动方程组、缠绕角与包角计算公式;控制丝咀运动的控制凸轮设计公式及链条布局公式等。在此基础上,阐述了编制计算程序的主要内容及框图。      

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。     

纤维缠绕复合材料纤维束形态的细观分析及弹性模量预测

在对纤维缠绕复合材料缠绕图案分析的基础上, 考虑到纤维束的交叠与波动, 提出一种用于计算纤维缠绕复合材料弹性模量的方法。该方法是在纤维缠绕图案中提取一代表单元, 将代表单元分成层板区域和纤维束波动区域。层板区域用经典层板理论计算弹性模量; 纤维束波动区域根据纤维波动的细观图形及走势计算弹性模量。根据层板区域和纤维束波动区域在代表单元中所占的比例, 组合2 个区域的弹性模量以获得代表单元的总体弹性模量。通过测试炭纤维/ 环氧树脂缠绕管在轴向拉伸载荷下的轴向弹性模量及泊松比, 验证了理论计算结果,表明该计算方法能较准确地计算纤维缠绕复合材料的弹性模量, 因此可为这类材料的设计计算提供有益的理论依据。      

纤维缠绕环形压力容器线型设计与仿真

纤维缠绕环形容器要求满足线型稳定和结构优化两个条件.基于微分几何理论,提出了用于复合材料环形压力容器成型的纤维缠绕线型,分析了芯模和吐丝嘴的缠绕速比,给出了缠绕参数优化设计方法.在对优化线型进行分析的基础上,模拟环形容器的纤维缠绕过程,实现了环形容器成型的计算机优化与图形仿真.通过应用缠绕仿真系统,可以检验线型模式的正确性和可行性.结果表明,优化设计的线型模式精确可靠,满足纤维缠绕的基本要求,为微机控制环形容器缠绕奠定了理论基础.     

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。      

Design of filament-wound isotensoid pressure vessels with unequal polar openings

Previous studies on filament-wound isotensoids are mostly based on geodesic winding. However, the geometry of geodesics is certainly limiting the available design space. A typical restriction is the inability to create isotensoids with unequal openings at both ends. In this paper, a simplified method for designing isotensoid pressure vessels with unequal polar opening is outlined, using non-geodesic trajectories. Firstly we present the non-geodesic equations on general shells of revolution. Next, a direct relation among the shell curvatures, roving force, internal pressure and slippage coefficient, as a basis for determining non-geodesics-based isotensoid shapes, is provided. The governing equations for specifying meridian profiles are derived in terms of the slippage coefficient. The meridian profiles of non-geodesics-based isotensoids corresponding to various opening radii and slippage coefficients are determined, and the performance factors of the obtaining domes are calculated to demonstrate the effect the application of non-geodesics has on the structural efficiency. A stable and easily accessible solution procedure is proposed to determine the slippage coefficients fulfilling the winding requirements. Results show that the present method is suitable for the design of isotensoid structures with unequal polar openings. Results also indicate that the non-geodesics-based isotensoid domes show better performance than the geodesic–isotensoid.     

环面上非测地线缠绕方程

本文分析了非测地线稳定缠绕的条件,用微分几何中法曲率和短程曲率概念给出了环面上非测地线缠绕方程,为缠绕弧形管提供了依据。      

Design of filament–wound domes based on continuum theory and non-geodesic roving trajectories

In this paper the optimal shapes and fiber architectures of non-geodesics-based domes for pressure vessels are determined upon the condition of equal shell strains. Based on the continuum theory and the non-geodesic law, the system of differential equations governing the optimal meridian profiles is derived. A specific function is chosen to describe the slippage coefficient distribution for the desired non-geodesic path, in order to ensure C¹ continuity of the roving paths when passing the dome–cylinder conjunction. Next, the meridian profiles are determined for various material anisotropies; the related winding angle developments of non-geodesic trajectories are also presented. The performance factors of non-geodesics-based optimal domes are obtained using various slippage coefficients and polar opening radii. The results show that the structural efficiency of the dome improves with increasing slippage coefficient. It is concluded that the non-geodesics-based dome designed using the present method gains better performance than the one relying on geodesics.