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。     

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。      

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。      

聚酰亚胺纤维与碳纤维缠绕复合气瓶性能对比研究

本文主要研究高性能国产聚酰亚胺纤维在复合材料气瓶上的应用,并表征其与进口碳纤维的性能差距.采用国产聚酰亚胺纤维进行缠绕成型工艺优化与复合材料性能测试分析,在测试数据及工艺优化基础上针对其进行了复合材料气瓶的强度设计.分别采用聚酰亚胺纤维、进口T300、T700以及T800碳纤维缠绕成型复合材料气瓶,进行水压爆破压强的测试,并引进声发射检测技术对其在水压过程中的损伤信号进行监测分析.结果表明聚酰亚胺纤维缠绕工艺性良好,与树脂界面结合优异,适用于湿法缠绕成型工艺.复合材料拉伸强度达到1 708 MPa,纤维的强度发挥率高达80%,相比于碳纤维复合材料其呈现出较好的断裂韧性,有利于减少复合材料气瓶在水压下的应力损伤.缠绕成型的聚酰亚胺纤维复合材料气瓶容器特征系数(PV/W)高达32.2 km,其在航空航天、医用、汽车、核工业等领域具有广阔的应用前景.     

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。      

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。     

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。      

玄武岩纤维全缠绕压力容器的研制与验证

选用玄武岩纤维为增强材料,制备了NOL环试样,进行了湿热处理和剪切试验验证。根据网格理论,针对2.4 L玄武岩纤维缠绕气瓶进行了复合层设计,确定了纤维缠绕厚度和缠绕角度,对所制样品进行了疲劳及爆破试验验证。结果表明:玄武岩纤维复合材料较玻璃纤维复合材料具有更优的界面粘结和湿热老化特性,所制备的气瓶经过0-21~(+0.2)-0 MPa压力循环的10 000次疲劳实验后未发生泄漏;爆破压力为77.1 MPa,验证了设计的合理性。     

椭圆柱曲面缠绕滑线位置计算公式

本文以非测地线稳定原理为基础,推导出椭圆柱(包括圆柱)曲面稳定及滑线位置的计算公式,使用简单、方便。     

负载条件下CFRP加固轴心受压钢管短柱受力性能研究

该文以试验、有限元与理论相结合的方法研究CFRP(碳纤维)布加固轴心受压钢管短柱构件;以不同负载百分比、不同CFRP粘贴方式为对比参数,研究了加固后构件的受力性能。主要讨论了对于不同负载程度、CFRP粘贴方式对加固后构件极限承载力和破坏形态的影响。通过试验与有限元数值模拟及参数分析,得到随着负载百分比的增大,加固后构件极限承载力呈下降趋势,在极限状态下,构件的破坏形态主要为端部局部屈曲破坏;在构件端部粘贴CFRP的加固效果优于中部加固效果;随着CFRP加固层数的增大,构件极限承载力随之增大,但增大百分比在达到一定程度后呈现下降趋势;随着构件厚度的增大,负载百分比和CFRP层数对构件承载力的影响呈下降的趋势,通过理论与试验和有限元结果的对比分析,得出采用该文所推导的理论可以用于负载条件下加固构件的承载力计算。     

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.     

CFRP环带拉索静力拉伸试验及数值模拟

铰销式CFRP环带是一条具有单向纤维的CFRP连续层带,以类似于赛道的方式分层缠绕在2个分离的销钉上,荷载通过销钉进行传递。进行了层压型CFRP环带静力拉伸试验,分析了试验过程中的荷载与应力关系、试件裂纹发展过程以及破坏模式,同时建立了有限元模型与试验结果进行了对比验证。在此基础上,通过对构造参数进行分析,研究了关键参数对CFRP环带的受力特点、应力分布、破坏模式及承载力的影响。研究结果表明:环带的荷载传递效率较直线条带下降了近20%;环带承载过程中,伴随着分层现象的出现和纵向裂纹的发展,最后在直曲相交段发生脆性破坏;随着曲线段曲率、环带厚度、摩擦系数的改变,环带各层和各部分的应力最大值均有不同程度的变化,但应力最大值出现的位置总是发生在直曲相交段或直线接头外侧;曲线段的应力分布受构造参数影响更大,虽然应力水平不高,但对环带整体的承载情况和破坏模式有较大影响。     

一种无焊缝连接金属内衬复合材料压力容器的制备工艺及其液压实验

纤维缠绕复合材料压力容器(COPV)由于其轻质高强及先漏后爆等特性在航空航天、路面交通和石油化工等领域得到广泛应用.基于纤维缠绕工艺的特点,提出了一种新型无焊缝连接金属内衬COPV结构及其制备工艺.并通过缠绕工艺及在封头直边设置密封槽,解决了内衬的封头与筒体之间的连续性和密封性问题.基于该结构的特点,一种辅助成型工装被...     

Head Shape and Winding Angle Optimization of Composite Pressure Vessels Based on a Multi-level Strategy

This paper presents a multi-level strategy for the optimization of composite pressure vessels with nonmetallic liners. The design variables for composite vessels include the head shape, the winding angle, the layer thickness, the number of layers, and the stacking sequence. A parameter called “modified shape factor” is introduced as an objective function. This parameter takes into account the effects of the internal pressure and volume, the vessel weight, and the composite material properties. The proposed algorithm uses genetic algorithm and finite element analysis to optimize the design parameters. As a few examples, this procedure is implemented on geodesic and ellipsoidal heads. The results show that for the given vessel conditions, the geodesic head shape with helical winding angle of nine degrees has the better performance.     

纤维缠绕复合对细长铝合金圆管轴向承压的增强作用

在硬铝合金（ＬＹ－１１铝合金）细长圆管的外壁以不同方式缠绕复合碳纤维，并对缠绕前后圆管承受轴向压载荷能力进行了对比试验。试验结果表明，细长圆管外壁缠绕碳纤维后，圆管的抗弯曲变形及抗压极限承载能力都得到大幅度提高。本文对未经缠绕的承压管的稳定性及理论临界应力进行了探讨，对采用碳纤维缠绕复合后的细长管轴向承压能力得以提高的原因作了分析。     

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。      

CFRP网格-聚合物水泥砂浆加固RC梁抗剪承载力计算方法

为揭示碳纤维增强树脂复合材料(Carbon fiber reinforced polymer,CFRP)网格-聚合物水泥砂浆(Polymer cement mortar,PCM)抗剪加固钢筋混凝土(RC)梁的受剪机制并建立其承载力计算方法,对RC梁进行了四点弯曲试验和有限元模拟,重点分析了CFRP网格对RC加固梁的抗剪贡献,建立了基于改进的桁架拱模型的抗剪承载力计算方法。结果表明：RC梁侧粘贴CFRP网格-PCM加固层不仅可以抑制斜裂缝的发展,而且还提高了抗剪承载力;CFRP网格与钢筋之间具有良好的协同工作性能,其中,横向CFRP网格筋分担了约16%的箍筋应变;回归分析指出纵向CFRP网格筋的应变约为横向CFRP网格筋应变的0.29倍;综合考虑纵向CFRP网格的销栓作用和横向CFRP网格分担的箍筋应变,提出了基于改进桁架-拱模型的承载力计算方法,具有更好的适用性和准确性,能够满足设计要求。     

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.     

预应力碳纤维缠绕制造重型压机机架的强度分析

对预应力碳纤维缠绕制造重型压机机架进行了研究,选用碳纤维(T700SC-12000)和钛合金(TC11)框架作为预应力结构的部件,把全新的材料应用到了25 MN模锻压机机架主要部件的设计中,进行了碳纤维缠绕机架的结构设计,依据输入的设计参数,建立了压机机架的模型,同时也对25 MN模锻压机进行了A型变张力缠绕设计,并对设计之后的结构进行了有限元分析。结果表明,应用预应力碳纤维缠绕技术极大地提高了预紧力对重型压机的梁和柱的保护,增加了零件的可靠性,并降低了大型零部件的制造风险,预应力碳纤维缠绕制造的重型压机机架强度设计满足要求,机架在预紧状态下的等效应力为863.9 MPa,小于钛合金TC11的屈服强度,而且减重效果明显,压机机架的质量从8 022kg下降到了1 950.76kg,下降了75.7%。