碳纤维缠绕复合气瓶的有限元数值分析

在仅考虑内压作用下,参考DOTCFFC标准对碳纤维缠绕压力容器在不同工况的应力、应变分布进行了有限元数值模拟研究。采用MSC.Marc大型有限元程序建立纤维缠绕复合材料气瓶的有限元模型,建模过程中将纤维缠绕层视为复合材料层合板处理,并对封头处缠绕层厚度及缠绕角进行简化处理。通过有限元数值计算,确定了气瓶的最佳预紧压力。计算中考虑了纵向缠绕角的变化在爆破压力下对气瓶的影响。数值计算结果表明:气瓶的应变以瓶身中部和肩部两侧的环向处应变最大,而气瓶肩部的变形并不明显。通过气瓶承受内压爆破试验的实验验证与数值计算结果基本符合,表明模型的简化和建立是合理可行的。研究结果为复合材料气瓶的优化设计提供了理论依据。     

复合材料环形高压容器缠绕参数设计与分析

针对诸如环形气瓶等圆环状压力容器的缠绕，提出同时满足结构特性和缠绕工艺性的参数设计方法以符合实际工程需要。推导了圆环面纤维不架空和不滑移判据；根据内压作用下纤维螺旋加环向缠绕环壳的平衡方程，考虑截面厚度变化和缠绕初始条件，给出了均衡缠绕参数及线型的确定方法，讨论了在不同管径比和厚度比下该线型路径的稳定性；以螺旋向铺层的初始缠绕角和厚度为变量，对结构进行重量最小化设计。作为算例，对纤隹缠绕环形高压气瓶在爆破压强为40—80MPa的范围内进行优化设计。结果表明，优化设计的均衡缠绕线型模式睛确可靠，满足纤维缠绕的基本要求，能充分发挥缠绕结构的力学性能。本文的设计计算方法可直接用于复合材辞环形气瓶的初步设计。     

纤维缠绕/金属内衬复合材料气瓶应力分析

针对纤维缠绕/金属内衬复合材料气瓶结构复杂、参数多及设计分析困难等问题,提出了一种面向设计的纤维缠绕/金属内衬复合材料气瓶应力分析方法,并通过一个碳纤维缠绕/铝合金内衬柱形复合材料气瓶的应力分析,评估了分析方法的有效性.     

一种卫星用钛内衬-碳纤维缠绕复合材料气瓶特性研究

为了研究复合材料高压气瓶固有特性,针对钛内衬（TA1）/碳纤维（T1000GB）缠绕柱形复合材料气瓶进行了特性分析和应力-应变检测。总结了内衬特性和复合层特性对气瓶产生的各种影响,根据柱形气瓶环向应变和纵向应变实测数据分析了瓶体应变的变化规律和主要影响参数,找出了瓶体强度薄弱区,为结构优化和同类产品设计提供了可靠数据和理论指导。     

纤维缠绕高压气瓶封头型面设计及应力估算

文章以“网格理论”为基础，对纤维缠绕高压气瓶封头部分的纤维应力进行了估算，并从力学要求以及缠绕规律出发，推导了“平面型封头”的型面方程，提出了适用于工程设计和加工的数值解法。推导的结果主要适用于短粗类型的压力气瓶、贮罐以及固体火箭发动机外壳的设计计算。     

纤维缠绕气瓶设计分析

讨论了具有金属内衬的纤维缠绕气瓶在加压和卸压过程中的变形特性。依据网格理论,给出了纤维缠绕壳体的设计方法。对塑性性能良好的金属材料内衬,可用强度理论中的最大正应变准则进行强度设计。推导出气瓶卸压时内衬不失稳所应满足的条件。为使卸压时内衬不失稳,内衬与纤维缠绕壳体之间应有足够的粘接强度,而且内衬的壁厚应越薄越好。对壁厚较薄的内衬,给出了气瓶卸压时内衬不失稳的最小粘接强度的确定方法。算例表明,文中给出的设计分析方法,可用于具有金属内衬纤维缠绕气瓶的初步设计。     

带药缠绕复合材料壳体张力分析及优化研究

研究了带药柱缠绕复合材料壳体中的张力制度,结合相关理论公式,分析了带药柱缠绕过程中张力对推进剂药柱的影响以及缠绕层自身张力松弛的原因。提出了以"最小剩余张力梯度"为优化目标,对以复合推进剂药柱为缠绕芯模的张力制度进行了优化,并缠绕了钢芯模及药柱芯模NOL环进行试验验证。试验结果表明,当缠绕层剩余张力趋于一致时,NOL环的力学性能有所提高。在优化张力制度下,与恒张力制度NOL环的拉伸强度和剪切强度相比,药柱芯模NOL环的拉伸强度提高了22.9%,剪切强度提高了8.4%。所用的分析及优化方法可为带药柱缠绕复合壳体张力制度的设计及优化提供借鉴。     

基于网络理论的纤维缠绕壳体结构可靠性数字仿真

研究了基于网格理论的纤维缠绕壳体结构可靠性数字仿真方法及程序，以乘同余法产生伪随机数用于仿真计算，并对所产生的伪随机数进行了检验；对某发动机纤维缠绕壳体进行了结构可靠性数字仿真计算，得出了其结构可靠性。     

“柱形”铝内衬纤维缠绕复合材料气瓶自紧分析

自紧是纤维缠绕复合材料气瓶加工成型过程中的关键工序,其自紧压力大小直接影响气瓶的承压能力及疲劳寿命。本文基于复合材料层合板理论及各向同性材料弹塑性理论,采用ANSYS有限元分析软件,建立各向同性金属材料及各向异性复合材料层的有限元分析模型,对航天用53 L"柱型"铝内衬纤维缠绕复合材料气瓶进行自紧分析,研究自紧压力对气瓶铝内衬和纤维缠绕层受力状态的影响,确定气瓶最佳自紧压力。研究表明,自紧处理能显著降低气瓶铝内衬在工作压力下的最大拉应力,扩大其弹性工作范围,提高疲劳性能。     

缠绕管件轴压强度的数值分析与实验研究

以Tsai-W u准则作为铺层失效判据,用三维有限元法研究了缠绕角度和环向缠绕层含量对炭/环氧管件轴压强度的影响规律。用Boltzm ann方程对有限元分析结果进行了数据拟合,得到轴压强度关于缠绕角的计算式。通过拟合公式计算了22°、35°、48°和61°共4种随机缠绕角的管件轴压强度,并对这4种缠绕角度的管件及其具有部分环向缠绕层的管件进行了轴压强度实验。实验结果验证了数值分析结果是可靠的。     

透镜式缠绕肋压扁缠绕过程数值模拟分析

利用ABAQUS首先以各向同性材料透镜式缠绕肋的肋片压扁进行了数值模拟分析,比较了三种壳单元（S4、S4R、SC8R）和三种体单元（C3D8、C3D8R、C3D8I）模拟分析效率,并给出受力特征;进而以S4R和C3D8I进行了碳纤维复合材料肋片压扁模拟分析,并得到受力特征;最后,建立了完整的缠绕肋整体非线性有限元模型,实现了缠绕过程模拟分析,得到缠绕肋缠绕过程应力、应变及变化特征,以及缠绕弯矩。本文对缠绕肋设计及系统样机研制具有指导和参考价值。
     

基于网格理论的纤维缠绕壳体结构可靠性数字仿真

研究了基于网格理论的纤维缠绕壳体结构可靠性数字仿真方法及程序。以乘同余法产生伪随机数用于仿真计算，并对所产生的伪随机数进行了检验，对某发动机纤维缠绕壳体进行了结构可靠性数字仿真计算，得出了其结构可靠性。     

一体化包覆药柱缠绕应力的数值计算

固体火箭推进剂应用广泛,基于一体化包覆纤维缠绕工艺,对药柱缠绕过程进行数值模拟应力计算。利用ABAQUS建立有限元模型进行数值计算,对药柱各节点应力进行分析。基于实际工况列出预紧力、药柱位移速度、药柱旋转速度、纤维带宽四个工艺参数,对缠绕过程进行动态仿真模拟,同时通过静态模拟多层缠绕工况。计算结果表明,单圈缠绕结束后药柱主体应力在0.060～0.120 MPa内,最大应力为0.202 MPa;预紧力和纤维带宽对于缠绕应力的影响较大,预紧力越大,应力越大,而纤维带宽越宽,应力越小,药柱移速和转速对缠绕应力影响较小;多层缠绕时药柱应力大小会随着缠绕层数的增加而上升,上升速度越来越慢,16层时最大应力可达0.338 MPa,研究结果及数据对于带药纤维缠绕工艺具有支撑借鉴意义。     

链式缠绕机缠绕参数编程设计

文中根据链式缠绕机运动规律,并结合C630型车床式缠绕机特点对缠绕机缠绕参数的选择进行了编程设计和优化计算。     

圆环压力容器均衡缠绕线型设计及稳定性分析

基于网络理论,得到了纤维单螺旋、螺旋加环向均衡型缠绕圆环压力容器的线型方程。应用微分几何理论,给出了同时满足均衡型和稳定缠绕双重条件的线型滑移系数、相对弯曲半径以及两向纤维层厚度比之间的关系。计算结果表明,单螺旋缠绕方式和较大的相对弯曲半径均能提高均衡缠绕线型的稳定性;对于通常研制的圆环压力容器,纤维材料和芯模间的摩擦系数达到0.2~0.3以上,即可实现均衡型缠绕。所提出的环壳均衡缠绕线型和轨迹稳定判别方法,对指导此类产品的缠绕具有重要意义。     

纤维缠绕圆锥壳体设计分析

以纤维缠绕结构的网格理论为基础,建立了纤维缠绕圆锥壳体在内压作用下的平衡方程。求解该方程,得到了纤维应力、纤维厚度和均衡缠绕角的解析解。对螺旋加环向缠绕,从圆锥大端到小端,纤维厚度和均衡缠绕角逐渐增大,纤维应力逐渐减小。利用最大应力强度准则,得到了单一螺旋缠绕及螺旋加环向缠绕圆锥壳体爆破压强的计算公式。为了使计算的爆破压强与实际结果相符合,纤维发挥强度的选取必须由模拟实验确定。     

圆柱形厚壁缠绕件的环向缠绕张力分析的逐层叠加法

为实现不同梯度剩余张力的缠绕张力设计,揭示缠绕过程中的张力变化规律,提出逐层叠加法,研究可变形厚壁筒上环向缠绕张力与剩余张力之间的关系。基于不同材质的双层筒在外压作用下的变形和应力,获得剩余张力下降量与缠绕张力的积分关系,计算各层缠绕张力产生的外压引起内缠绕层环向应力的下降量。进而给出剩余张力函数,获得线性锥度缠绕、等张力缠绕和等力矩缠绕条件下的剩余张力解析公式。将缠绕张力与剩余张力的积分关系式化为微分方程,求解出缠绕后等剩余张力的缠绕张力解析公式。通过钢带缠绕容器和有芯模的纤维缠绕筒的等张力设计对比研究表明,该文解析公式给出的张力设计方案与现有文献完全吻合。文中模型从理论上很好地解决了柱形缠绕件的环向缠绕张力分析问题,适用于各向同性材料厚壁筒和纤维缠绕薄壁筒的缠绕分析和设计。     

平面缠绕炭纤维压力容器大变形有限元分析

根据纤维缠绕复合材料压力容器的结构和工艺特点,用ANSYS有限元软件建立了2种封头形式的复合材料压力容器计算模型,模型包括封头上纤维缠绕角和缠绕厚度的变化,并对内压作用下结构的应变分布进行了静力学非线性计算。由于在内压作用下压力容器会产生较大的位移,因此在计算时考虑了大变形的影响。结果表明,在内压作用下,圆筒段的纤维受到拉伸作用,椭球型封头的部分区域出现了弯曲,纤维受到了挤压,而平衡型封头上应力变化平缓,结构整体向外膨胀。比较发现,计算结果和试验结果吻合较好,所建立的有限元模型和计算方法能较好模拟压力容器的真实受力情况。     

纤维缠绕复合材料壳体非线性有限元分析

通过数值计算，求得了纵向平面缠绕壳体的几何形状和缠绕角等，然后，利用退化壳单元对壳体进行了非线性有限元分析。     

C630型车床式缠绕机在缠绕中的应用

本文对C630型车床改装的链式缠绕机的运动规律进行了分析,并给出了缠绕角度和链条节数计算公式。同时对走刀箱上的指示标牌在缠绕中的应用进行了分析,给出了标牌数值与缠绕角度之间的关系式,并探讨了缠绕角度范围、环向缠绕、平面缠绕,另外给出了算例。