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。     

纺丝工艺对炭纤维缠绕复合材料强度转化率的影响

通过不同纺丝工艺的聚丙烯腈基炭纤维表面状态、NOL环及Φ150 mm容器的实验研究,分析了不同纺丝工艺对湿法缠绕复合材料聚丙烯腈基炭纤维强度转化率的影响。结果表明,干喷湿纺炭纤维比湿法纺丝Φ150 mm容器环向纤维强度转化率要高出11.9%~15.4%,湿法纺丝的炭纤维复合材料NOL环层间剪切强度要比干喷湿纺炭纤维复合材料高7.4~34.1 MPa。因此,干喷湿纺的炭纤维可应用于固体火箭发动机缠绕壳体、压力容器等主要承受拉伸应力的领域,可充分发挥其纤维强度;而湿法纺丝工艺制成的炭纤维与树脂基体结合紧密,利于载荷的传递,可应用于承受压缩剪切等复杂载荷的领域,从而发挥这两种纤维各自不同优势。     

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。     

纤维缠绕圆环压力容器设计分析

基于网格理论,得到了纤维缠绕圆环压力容器在内压作用下的平衡方程。求解方程,得均衡缠绕角和纤维厚度都是平行圆半径R的减函数,即圆环外缘最小;纤维应力是R的增函数,即圆环外缘最大。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环压力容器爆破压强的计算式。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试验确定。     

纤维缠绕圆筒压力容器结构分析

对具有内衬的纤维缠绕圆筒压力容器进行了结构分析。将内衬作为各向同性材料,纤维缠绕圆筒作为正交异性材料处理。在内压作用下,得到了内衬和纤维缠绕圆筒的弹性应力和应变。讨论了内衬和纤维缠绕圆筒材料选取和结构设计准则,即应选取弹性模量很低,强度较高和塑性良好的材料作内衬;选取模量和强度都较高的纤维缠绕圆筒;内衬壁厚应尽可能薄,且与纤维缠绕圆筒粘接牢固。算例表明,弹性应力分析结果与测试值符合良好。     

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。     

封头补强技术研究

研究了碳纤维／环氧复合材料φ１５０ｍｍ和φ４８０ｍｍ压力容器封头的局部补强方法和工艺，试验结果表明：φ４８０ｍｍ压力容器经在大金属件边缘补强后改变了水压爆破时金属件飞出的现象，纤维强度得以充分发挥而使筒身段纵环向同时破坏；φ１５０ｍｍ压力容器的应力平衡系数可由０．７５提高到０．８５以上，筒身段纵向纤维发挥强度由２０９０ＭＰａ提高到２３３６ＭＰａ，提高约１１．８％。由此可见，壳体铺层设计与封头补强巧妙地结合是壳体优化设计的重要方法，是充分发挥纵向纤维强度的有效措施。     

纤维缠绕壳体的应力平衡系数和圆筒缠绕角

讨论了纤维缠绕壳体应力平衡系数的定义.在封头与圆筒等强的条件下,给出了应力平衡系数的确定方法.得到了应力平衡系数k_s与圆筒缠绕角α的关系式.结果表明,应力平衡系数随圆筒缠绕角的减小而减小.只要k_s<1,则应力平衡系数的引入,将增加圆筒的质量.为此,适当增大圆筒缠绕角,既能使封头得以加强,又能减小圆筒质量的增加.     

固体火箭发动机复合材料壳体裙连接区结构数值分析

对某固体火箭发动机纤维缠绕复合材料壳体轴压载荷作用下裙与筒段连接区(裙连接区)进行了有限元结构分析。依照壳体的结构特征和受力特性建立了裙连接区3D简化分析模型,通过对某芳纶纤维壳体仿真结果和实验数据的对比分析,验证了模型简化的合理性和有限元结果的正确性;最后对某炭纤维缠绕复合材料壳体裙连接区进行了数值分析和壳体连接区结构方案改进。结果表明,增加补强层厚度和提高补强层纤维模量可有效降低应变极值,改善结构应力分布,经改进的结构设计方案承载能力可提高20%。     

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。     

超薄钛内衬复合材料高压气瓶力学特性分析

以卫星用超薄钛内衬T1000碳纤维增强复合材料高压气瓶为研究对象,基于各向同性材料弹塑性理论及复合材料层合板理论,建立三维有限元分析模型。通过对比分析金属内衬和复合材料层在不同内压下的位移、应力和应变分布规律,得到了这种气瓶在各承压工况下的力学特性,最后通过压力试验结果验证了有限元模型的准确性。研究结果表明:当内压超过气瓶的工作压力时,复合材料气瓶主要发生轴向变形,且内衬既有弹性变形又有塑性变形,复合材料层始终处于弹性变形。此外,气瓶爆破失效薄弱点在筒体与封头的过渡区域,在不均匀应变的作用下易沿环向发生撕裂而爆破。本文的研究成果可为超薄内衬复合材料高压气瓶的设计、试验等提供参考依据。     

提高金属内衬容器承载能力的预外压法

具有金属内衬的复合材料容器的承载能力很大程度上取决于金属内衬的弹性变形范围和稳定性。基于三维弹性理论。并结合第四强度理论。研究了在施加外压力时保证金属内衬不失稳的条件下,具有金属内衬的纤维缠绕容器的应力分布情况和承载能力的改善情况。结果表明,给金属内衬施加预外压力,可以提高容器的极限承载能力,更好地发挥纤维层的承载能力。     

CVI沉积炭纤维束的组织结构

采用CVI工艺在常压下对单束炭纤维进行热解沉积,天然气为前驱体,N2为载气,沉积温度为1 020～1 100℃,沿纤维束轴向分布。对不同位置炭纤维束外和束内热解炭组织结构分别进行PLM表征。研究发现,束外热解炭在距离热电偶(0位置)上方40～80 mm处沉积厚度达到最大,在0～80 mm内组织结构良好,主体为高织构;束内沉积热解炭的厚度较均匀,组织结构的变化与束外一致。对气体裂解过程中的反应气体组分进行模拟并与实验对比,发现生成高织构时,热解反应中间产物中的C2H2/C6H6范围为15～35。     

航天复合材料压力容器研制技术

分析了航天复合材料压力容器技术指标特点。提出了容器金属内衬、增强纤维和树脂基体的选材要求。讨论了金属内衬全金属承压区、薄膜区、封头过渡区、封头/筒体界面、焊接区的结构设计方法,以及圆柱形、球形、近球形、椭球形、环形、锥形容器纤维缠绕复合材料壳体结构特点。简述了结构设计算法,以及包括疲劳寿命、应力断裂寿命、爆破前先泄漏(LBB)安全失效模式等容器安全设计的分析和试验方法。     

树脂含量对芳纶纤维/环氧复合材料性能的影响

研究了树脂含量对芳纶纤维／环氧复合材料的性能的影响，主要是浸胶纤维强度，压力容器中纤维强度的发挥系数，容器特性系数pV/Wc。给出了按混合定律计算复合材料强度的修正系数，提出了对容器进行表面处理以改善其内外层含胶量的均匀度，并进行了实验，实验证明，容器内外层树脂含量分布更为均匀，容器的性能得到提高。     

环向纤维增强钢压力容器设计分析

用弹性理论分析方法，得到了环向纤维增强钢压力容器（压缩天然气气瓶）在内压作用下的应力，给出了气瓶爆破压强以及钢筒和纤筒壁厚的计算方法。讨论了提高气瓶疲劳强度的技术途径。算例表明，计算值与实验结果符合良好。     

碳-芳纶混杂正交三向复合材料疲劳性能实验研究

采用三维机织工艺结合树脂传递模塑(RTM)技术制备了两种碳-芳纶混杂正交三向复合材料,即z向纱均采用芳纶纤维,经纬纱分别为炭纤维和经纬纱间隔排列炭纤维和芳纶纤维的混杂正交三向复合材料,以恒定应力幅值、应力比和频率,开展了复合材料经向拉伸疲劳性能试验,通过与炭纤维复合材料的对比,分析了碳-芳纶混杂方式对复合材料拉伸疲劳性能(疲劳寿命、疲劳破坏特征和疲劳后强度/刚度)的影响。当z向纱选用芳纶纤维,面内经纬纱为炭纤维的混杂复合材料经向拉伸疲劳寿命表现出正混杂效应;当进一步混入芳纶纤维,面内经纬纱为炭纤维和芳纶纤维间隔排列正交三向复合材料疲劳寿命表现为负混杂效应,对疲劳刚度损失有一定的抑制作用。可见,炭纤维正交三向复合材料中引入芳纶纤维,对其复合材料拉伸疲劳性能有重要影响,通过设计纤维混杂方式和混杂比例可进一步提高复合材料疲劳性能。