碳纤维等级对迫击炮复合身管多目标优化设计的影响

将高性能碳纤维用作迫击炮身管外部增强层,可大大降低身管质量。在湿法缠绕工艺中,针对缠绕张力对金属内衬的强化效应,基于正交各向异性材料的厚壁圆筒理论和基于小变形假设的弹性叠加理论,提出了适用于多角度分层缠绕的内衬预应力离散叠加算法。针对复合身管中受内压的薄壁内衬碳纤维缠绕圆筒典型结构,以复合身管质量和抗弯刚度为优化目标,提出了基于多岛遗传算法的复合身管多目标优化设计方法。通过不同材料搭配方案的Pareto解集对比表明,M46方案相比T300和T700方案质量更轻、刚度更高,其中Ni_2/M46方案优化效果最好,说明高模量碳纤维更具轻量化优势,并通过有限元仿真和水压试验验证了优化结果的有效性。     

薄壁内衬复合材料发射筒结构设计与缠绕工艺研究

为了探究碳纤维增强复合材料在单兵筒式武器设计中的应用,开展了薄壁内衬碳纤维增强复合材料发射筒结构设计和工艺技术研究。首先,基于弹性理论和网格理论分别建立薄壁内衬层和碳纤维增强层厚度计算模型;其次,基于纤维增强复合材料损伤过程,分析了复合材料筒身的失效形式,讨论了采用不区分失效形式的Tsai-Wu强度准则和区分失效形式的Hashin强度准则的作用影响;最后,阐述了复合材料发射筒的缠绕工艺流程,重点分析了铺层方式和缠绕张力对纤维缠绕工艺的影响。研究结果可以为复合材料发射筒以及纤维增强复合材料圆筒结构的设计和加工提供参考。     

大张力缠绕碳纤维复合材料高速飞轮转子研究

碳纤维复合材料由于其较高的比强度、比刚度以及不产生高频涡流损耗等特点,日益广泛地被用来制造高速飞轮转子护套。另外,大张力缠绕相比压装等工艺更适用于施加碳纤维复合材料层与金属轮毂间的过盈配合。研究了大张力缠绕复合材料飞轮转子护套的设计与成型工艺,建立了复合材料护套的三维有限元模型,采用温差法模拟纤维缠绕张力,采用单元生死法模拟逐层缠绕及固化过程。在30000 RPM的转速及不同工作温度下,分析了缠绕张力及轮毂和转轴间过盈量对转子各材料界面处压应力的影响规律。此外,采用大张力缠绕工艺制备了高速飞轮转子碳纤维护套样件,测试了样件护套对金属轮毂的径向压应力以及轮毂径向应变。结果表明,基于仿真模型的计算值与样件测试值吻合良好,获得了飞轮转子的最佳几何外形和制备工艺参数,使转子的最大工作外缘线速度达697 m/s,最大储能密度为44.5 Wh/kg。研究成果对复合材料高速飞轮转子护套的设计与制造具有重要的意义。     

高性能纤维增强复合材料应用的研究进展

纤维增强复合材料具有质轻、高比强度和比模量、加工成型性好、耐冲击、耐腐蚀等特性,在轻量化材料领域有着广阔的发展前景,综合对比了玻璃纤维、碳纤维、芳纶及超高相对分子质量聚乙烯纤维等纤维增强复合材料在航空航天、汽车领域、能源工业、环保领域中的应用现状,认为碳纤维增强复合材料在轻量化、高性能化方面具有极大的优势及应用前景。     

轻质碳纤维复合材料帆船桅杆的设计与制备

碳纤维复合材料与金属相比,具有重量轻、可设计性强等优点.本文目的是设计并制备轻质碳纤维复合材料桅杆.基于等刚度准则,对具有等壁厚、异型截面的中空碳纤维复合材料桅杆进行设计,并运用数值模拟技术对结构铺层进行优化.采用纤维铺放和缠绕工艺制备出长度为16m的大尺寸碳纤维复合材料帆船桅杆,与铝合金桅杆相比减重43.4%.在设计工况下,桅杆变形试验值与数值模拟结果相近.     

复合材料球形气瓶非测地线缠绕线型设计和强度分析

碳纤维复合材料球形气瓶因其较高的比强度、比刚度和抗疲劳性,被广泛应用于航空航天及民用工业领域。基于微分几何理论,推导出满足球形气瓶缠绕基本原理的落纱点轨迹方程,给出缠绕线型轨迹和缠绕角应该满足的稳定缠绕条件,并对缠绕轨迹进行仿真。考虑球壳的变曲率特点,针对球形气瓶缠绕层进行变厚度、变角度的精细化有限元建模,对工作压力下的气瓶内衬和缠绕层各向应力分布进行数值模拟和分析,并预测了气瓶的爆破压强。结果表明,优化设计得到的缠绕线型参数既能满足缠绕工艺的基本要求,又有效提高了球形气瓶的结构力学性能。研究成果对复合材料球形压力容器的设计制造具有重要的意义。     

缠绕角对碳纤维增强复合材料输电杆塔力学性能的影响

通过材料的选择和纤维的缠绕方式提高了复合材料输电杆塔的力学性能,利用有限元分析法对玻璃纤维增强树脂基复合材料（GFRP）杆塔、碳纤维增强GFRP杆塔在标准检验荷载下的受力和变形情况进行对比分析。结果表明,碳纤维的加入可以有效提高复合材料杆塔的刚度,杆塔最大位移相对减小20 %;在此基础上,设计了纱丝螺旋缠绕结合单向布纵向缠绕的线型缠绕方式,计算不同缠绕角度复合材料杆体的等效模量,分析纤维取向对碳纤维增强GFRP输电杆塔力学性能的影响,确定最优纤维缠绕设计角度为纵向缠绕角20 °,螺旋缠绕角50 °~55（°）。     

纤维缠绕车载CNG气瓶的结构设计及其有限元分析

根据薄膜理论分析了气瓶封头的椭球比对气瓶强度和稳定性的影响,依据网格理论,结合气瓶容积、使用空间以及实际生产工艺等约束条件,确定了气瓶的内衬几何尺寸、纤维缠绕层的纤维厚度和缠绕角度。最后利用ANSYS中的参数化设计语言(APDL),分别对各种工况下的强度、稳定性进行了仿真模拟和数值计算分析。结果表明,设计的70L纤维缠绕车载CNG气瓶的强度、稳定性满足铝内衬全缠绕碳纤维增强复合材料气瓶的基本要求(DOT-CFFC)。     

碳纤维复合材料用环氧树脂体系研究进展

介绍了碳纤维增强环氧树脂复合材料的优点及其主要成型工艺,在分析不同成型工艺对环氧树脂性能要求的基础上总结了研究热点。重点讨论了近年来预浸料、RTM、缠绕成型等工艺所用环氧树脂体系在力学性能、功能性及可加工性能方面的技术突破,并对未来碳纤维复合材料用环氧树脂体系的发展进行了展望。     

国产碳纤维缠绕铝内衬气瓶的缠绕设计及校核

本文选用中复神鹰碳纤维有限责任公司生产的SYT49碳纤维为增强材料,针对6.8L常规的复合材料压力容器进行了初步缠绕设计,完成了压力容器的制备,确定了SYT49碳纤维在复合气瓶缠绕领域的强度利用系数;利用有限元分析平台,通过建立模型完成了对该压力容器在最小爆破压力工况下的应力分析。结果表明:SYT49碳纤维的强度利用系数为0.82,与日本东丽T700S相当;应力分析情况与实际爆破结果相吻合,在验证设计的准确性同时,为碳纤维缠绕的设计提供了参考。     

纤维张力及均匀性对输电导线复合芯性能影响

讨论了碳纤维复合芯拉挤工艺中纤维张力及张力均匀性对复合芯强度及成本的影响。试验利用纤维张力计测定碳纤维复合芯拉挤生产过程中的纤维张力,研究了不同张力条件下碳纤维复合芯抗拉强度、卷绕性能与张力关系,同时通过控制纤维张力的均匀性研究纤维张力均匀性与复合芯径向耐压强度的关系。试验结果表明,纤维张力的大小及均匀性对拉挤复合芯棒综合性能具有明显的影响,复合芯拉伸强度随着纤维张力的增加逐渐增加,当张力控制在0.6%纤维强力时为最佳制备工艺;纤维张力的均匀性提高,且复合芯棒的径向耐压性能提高。通过控制纤维张力可以相应减少碳纤维原材料用量,达到降低碳纤维复合芯成本的目的,有利于碳纤维复合芯导线的大规模推广应用。     

接触热阻对复合材料身管热性能影响分析

采用金属内衬外部缠绕纤维增强复合材料,可减轻纯金属身管重量,提高身管刚度.为了详细分析复合材料身管分界面接触热阻对身管热性能影响,本文建立考虑复合材料身管分界面接触热阻效应的瞬态传热模型,运用有限差分法编制通用程序对接触热阻效应对复合材料身管热性能影响进行数值定量分析.结果表明,接触热阻对于复合材料身管的传热性能有较大影响,必须采取措施来减小接触热阻,这在复合材料身管的热性能设计中必须重点考虑.     

基于Optistruct的碳纤维复合材料包装箱结构优化设计

本文基于Optistruct结构优化技术,采用碳纤维复合材料进行了某特种包装箱的结构设计。结合包装箱结构设计的技术指标要求,提出了多阶段的优化设计方法。多阶段优化设计包括形貌优化、尺寸优化和铺层优化。在箱体的概念设计阶段,通过形貌优化获得了满足箱体刚度的加筋结构;针对基于铺层的碳纤维复合材料的可设计性能,在箱体的细节设计阶段,通过尺寸优化和铺层优化分别获得了复合材料各个铺层角度的最佳铺层厚度尺寸和复合材料箱体的最佳铺层方式。最终,通过有限元数值分析验算,结构设计的结果满足设计要求。     

薄壁钢内衬CF圆筒承压性能仿真及水压爆破试验

针对含薄壁钢内衬的碳纤维缠绕圆筒典型结构,建立三维有限元模型,采用温度参数法逐层计算内衬剩余应力,并预测其承压性能;基于水压爆破试验,研究了多缠绕角下缠绕张力、不同碳纤维等级对钢内衬及复合材料圆筒承压能力的影响,并结合钢内衬的声发射振铃计数特征判别载荷屈服点。试验结果表明,含薄壁钢内衬的碳纤维缠绕圆筒的最佳缠绕张力为75 N左右,T700,T300两种强度碳纤维复合圆管的钢内衬最大屈服载荷基本相同。     

高速永磁电机转子碳纤维护套的缠绕张力计算研究

表贴式高速永磁电机转子的永磁体不能承受高速旋转时产生的离心力,为此研究了一种特殊的大张力环向缠绕碳纤维护套,由于缠绕时张力的施加,这种碳纤维护套会在永磁体外表面形成一定的预压力,从而保护永磁体在高速旋转时不被离心力破坏。基于弹性力学相关理论,提出了计算缠绕张力作用下纤维层应力分布及其对永磁体预压力的方法。通过不同张力缠绕实验确定碳纤维缠绕工艺极限张力,以此为基础,分别采用解析法和有限元法计算了不同张力制度下的纤维层剩余应力,并在大张力缠绕电机转子实验中测试了纤维层提供的预压力。结果表明,解析法能较为准确地预测出碳纤维缠绕层的应力分布情况及其对永磁体的压紧力,且解析结果和有限元的误差很小,和实验测试结果的误差在可接受范围之内,所提出的大张力环向缠绕碳纤维护套可以满足永磁电机转子高速旋转的要求。     

Review of manufacturing of fiber composite components by filament winding

A summary of the simple to very complex fiber composite components that have been fabricated by automated filament winding is presented. The process of filament winding, where resin-impregnated, high strength, high modulus fibers are placed on a rotating mandrel (under controlled tension) in a specified geometric pattern, is then described in detail. A qualitative comparison of the filament winding of fiber composite components by conventional and robotic winding systems is presented next. The results indicate that a robotic winding system can be a viable alternative to conventional filament winding for certain applications. Finally, the concepts of lightweight winding systems, hybrid filament winding processes, and advanced filament winding techniques are presented.     

碳纤维增强轻质砂浆的力学与电学性能

采用煤发电厂废料－－飘珠为轻集料，代替一般砂浆中砂子，并探讨这种轻南砂浆进行碳纤维增强的成型工艺，使用这种工艺可制备包含不同品种、不同掺量的碳纤维增强水泥复合材料。对材料的波折、抗拉、抗压、抗冲击性能、导电性能等进行了研究，并从实验测试的结果讨论碳纤维的品种、一对以上性能的影响。     

人工神经网络结合遗传算法对FWRP张力制度的优化

由于纤维缠绕聚合物基复合材料(FWRP)与结构同时形成,因此缠绕成型工艺过程控制(如纤维缠绕张力)对FWRP制品结构抗力具有重大影响。人工神经网络具有超强非线性映射能力,可在特定条件下将缠绕张力与缠绕结构抗力两者由相关关系转化为确定性关系(函数关系)。本文分别以碳纤维和玻璃纤维缠绕聚合物基复合材料制成NOL环试件。在实验基础上采用人工神经网络结合遗传算法对纤维缠绕张力进行优化,取代传统的"试凑法",优化结果与实验吻合。