纤维缠绕复合材料圆环壳线型设计与优化

由微分几何理论，导出了纤维缠绕圆环壳曲面的滑移和架空判据。基于薄膜理论和网格理论，结合圆环壳几何特征，得到了内压作用下纤维螺旋加环向缠绕圆环壳的平衡方程组，给出了均衡缠绕线型的确定方法。以稳定缠绕条件和壳体强度要求为约束，缠绕层最小质量为优化目标，利用收敛效率较高的序列二次规划算法（SQP）求得了不同爆破压强下的各项最优均衡缠绕参数。文中的设计方法真实反映了环壳结构特征和实际工程设计要求，算例表明可直接应用于纤维缠绕环壳的初步设计。     

缠绕复合材料壳体爆破压强的预测

针对缠绕复合材料壳体在内压作用下的破坏问题，基于连续损伤介质力学方法，建立了一种缠绕复合材料渐进损伤破坏分析模型。模型中考虑了纤维破坏、基体损伤和纤维/基体开裂3种破坏模式，并针对缠绕复合材料面内剪切非线性的实际，建立了面内剪切非线性模型。通过子程序UMAT将模型嵌入ABAQUS/Standard中，对含缺口缠绕复合材料试件拉伸过程进行了仿真计算，验证了模型的正确性。采用该模型对缠绕复合材料壳体的水压破坏过程进行了仿真分析，结果表明:内压作用下缠绕复合材料的最终破坏是由于纤维断裂导致的，且纤维破坏主要出现在环向层，基体破坏主要出现在纵向层。      

纤维缠绕角度对CFRP-Al混合圆管横向受载性能影响

基于准静态横向弯曲试验对缠绕工艺下制备的CFRP/Al混合圆管进行抗弯性能和吸能特性研究,分析了混合圆管的破坏模式,基于不同纤维缠绕角度的碳纤维复合材料-铝合金混合圆管三点弯曲试验结果,通过有限元仿真方法研究了内层纤维缠绕角度对其横向抗弯与吸能特性的影响。试验结果表明,CFRP-Al混合圆管横向载荷下的失效形式、损伤模式与纯铝管基本保持一致,但受纤维缠绕角度的影响失效形貌略有差异。纤维缠绕角度越小,CFRP-Al混合圆管的抗弯性能和吸能性越好,同时压溃效率(CFE)明显降低。基于验证的有限元模型,研究不同角度纤维缠绕内层对于表层纤维层的应力传递影响,小角度缠绕内层对于管件的轴向拉伸变形抑制增加了管件整体峰值载荷与吸能作用,大角度缠绕内层对于管件环向刚度的提升增加了整体压溃效率。依此分析可为合理设计CFRP-Al混合管提供有效依据。     

涡扇发动机轴向定位弹性环优化设计

针对涡扇发动机轴向弹性环(安装于4#轴承前端,起轴向定位作用)使用后存在较大残余变形导致轴向定位不可靠的问题,通过力学解析法和有限元计算方法相结合的方式,提出了轴向弹性环优化目标函数,对该轴向弹性环的应力、刚度进行优化设计,得到了符合工作条件相对合理的优化方案。相对于原弹性环,优化后的弹性环工作后残余变形明显减小,有效解决了4#支点处轴向定位不可靠的问题。此优化方法可为其他类似弹性环的优化提供参考。     

基于细观刚度模型的缠绕复合材料结构有限元分析方法

 缠绕复合材料结构分析是缠绕复合材料力学性能研究及应用的重要基础。发展了一种缠绕复合材料结构分析有限元方法,该方法基于缠绕复合材料细观刚度模型,通过建立细观刚度场与整体结构的映射关系,将缠绕复合材料细观刚度模型引入缠绕复合材料结构有限元分析中。采用各向异性单元,几何模型与网格划分等过程不需要进行复杂的处理,单元材料属性采用细观刚度模型计算,并通过已建立的细观刚度场和整体结构的映射关系输入。建立了缠绕复合材料结构有限元分析的流程,采用MATLAB程序编写了细观刚度场计算程序,采用ANSYS提供的APDL语言开发了几何建模、分网、读入刚度矩阵等相应分析程序,最后进行了算例分析。算例结果表明,缠绕复合材料内部各层应力应变呈周期性分布,应力应变在纤维交叉和波动区域有所变化,纤维波动对局部应力具有放大作用;纤维走向的交替造成内部剪切应力的正负交替;纤维弯曲引起的局部刚度下降造成局部的应变较大。与传统的经典层合板理论或有限元方法相比,在缠绕复合材料有限元分析中,采用基于傅里叶级数的细观刚度模型,可以反映材料内部细观结构对应力应变分布的影响;同时,方法简单,便于程序实现。     

非连续带材缠绕张力控制技术研究

 非连续带材缠绕是布带缠绕的一种,广泛地应用于复合材料成型中,在大拉伸比缠绕时更能突显其优势。针对非连续带材的缠绕,在认真分析复合材料成型工艺过程和可能存在的技术难点的基础上,对影响缠绕制品质量的张力、布带拉伸比、布带自动续接及自动纠偏等因素的控制方法及相互作用机理进行了较为深入的研究,并设计出了切实可行的机械装置和控制方案。经应用验证,该方案既实现了非连续带材缠绕成型过程的自动化,又保证了缠绕制品的质量,解决了非连续带材成型过程的关键控制技术难题。     

热固性树脂基复合材料固化变形研究进展

热固性树脂基复合材料结构在热压罐成型过程中,由于模具的约束作用,会导致工件内部残余应力的产生,进而引起工件回弹变形和翘曲变形.对影响残余应力和变形产生的各种因素进行了综述及分析,这些因素包括热膨胀、固化收缩、铺层方式、固化温度、模具热膨胀、气孔含量、热梯度分布、纤维含量梯度分布、降温速率、固化时间、纤维含量、模具表面处理、模具角半径和模具热传导性能.     

复合材料高压气瓶的碳纤维缠绕设计和ANSYS分析技术

为了获得复合材料气瓶合理的有限元分析模型,并能够有效地掌握气瓶固有的变化规律,以不锈钢316L为内衬、碳纤维(T1000GB)/环氧树脂(BA202)为复合层的高压气瓶作为研究对象,介绍了一种采用螺旋缠绕与环向缠绕组合线型的缠绕设计方法.利用该方法确定复合层厚度、缠绕角、缠绕层数等参数,运用ANSYS程序,采用薄壁壳单元shell91建立了复合层多层结构模型,得出了气瓶应力、应变分布规律,并给出了气瓶疲劳破坏点和起裂点处失效参数的变化历程,最后,将ANSYS计算结果与试验实测结果作了比对分析,为定量化研究复合材料气瓶提供准确的数据支持.研究结果表明:ANSYS数值仿真结果与试验结果吻合良好,采用壳单元shell91可以比较正确地模拟复合层的多层结构;柱形复合材料气瓶破坏薄弱点位于简体(靠封头)部位,气瓶受环向膨胀力影响较大,易使其沿纵向撕裂;随瓶内压力升高,薄壁内衬发生完全塑性变形,复合层仅发生弹性变形.     

关于改善光纤环绕线机成环质量的方法研究

光纤环制作的核心工艺就是光纤线圈的绕制,针对光纤环绕线机中存在的张力控制不对称性问题,提出了一种基于布里渊光时域分析方法检测光纤线圈应力分布状态,从而回馈和指导绕线机张力调整的方法。实验结果表明,以上方法明显改善了光纤环的应力分布状态,有效提高了光纤环成环后的质量,对提高光纤陀螺的精度起到了重要作用。     

高性能PBO纤维复合材料成型工艺参数研究

研究了PBO纤维与环氧树脂复合成型工艺参数如树脂配方、浸渍张力、缠绕张力对PBO纤维缠绕成型复合材料力学性能的影响,同时优化了这些工艺参数。研究结果表明,PBO纤维复合材料的拉伸性能很好,但其纤维表面呈惰性,对树脂系统的拉伸性能、韧性和弯曲性能均要求较高,缠绕张力大约占其股纱强力的3 5%左右时,PBO纤维的NOL环层间剪切强度达到最高（29MPa）,才能发挥PBO纤维的高强特性。     

喷丸强化7475-T7351铝合金的小裂纹行为和寿命预测

对7475-T7351铝合金进行了喷丸强化和未喷丸(机械加工后抛光)单边缺口拉伸(SENT)试样的小裂纹扩展行为试验研究,利用权函数法(WFM)和叠加原理分析计算了三维表面小裂纹在外加载荷和残余应力场联合作用下的应力强度因子(SIF),并将其加入到基于裂纹闭合的小裂纹扩展分析程序FASTRAN3.9中,采用该程序预测了均布外载荷σmax=160MPa、R=0.06下,喷丸强化和未喷丸SENT试样自然萌生裂纹扩展的a-N曲线。研究发现喷丸强化残余压应力对疲劳小裂纹扩展速率的降低是疲劳寿命延长最主要的原因,采用基于裂纹闭合的小裂纹扩展分析方法能够较好地定量描述喷丸强化的疲劳延寿作用。     

GH4169孔挤压强化工艺过程数值模拟

在验证镍基高温合金GH4169中心孔挤压(CE)三维有限元模型正确性的基础上,利用单元删除法研究倒角、孔挤压-倒角顺序和铰削量3种具体工艺过程对孔边周向残余应力分布的影响。结果表明:孔边小于芯棒过盈量的初始倒角可以减小孔挤压后残余压应力;采用孔挤压-倒角的工艺顺序可以在孔边获得更小的残余压应力。铰孔可增大孔边入口处残余压应力,去除残余压应力极小值部分的材料。因此,在挤压强化后应尽量避免铰孔。     

喷丸残余应力场解析模型及其试验验证

 喷丸提高零构件疲劳抗力的主要机制是在表面层形成残余压应力场。一些作者致力于建立模型,根据给定的喷丸条件计算这一应力场。但使用的材料模式常较简单,与实际喷丸靶材差异较大。因此有必要建立适于多种靶材模式的简单解析模型及理论公式。本文从Hertz弹性接触理论出发,借助弹塑性变形理论及反向屈服、强化的物理概念,导出了各向同性强化材料满覆盖率喷丸时残余压应力场计算公式,并以试验数据验证了计算结果的可靠性。     

铝锂合金喷丸强化数值模拟及试验

根据喷丸强化工艺过程的特点,利用ABAQUS有限元计算软件建立了模拟喷丸残余应力场的三维有限元模型.在此模型基础上研究了喷丸速度、弹丸直径及弹丸数量等因素对铝锂合金喷丸残余应力场的影响规律,进而对比了单弹丸模型、均布式阵列弹丸模型和随机弹丸模型下残余应力场的分布规律.采用X射线残余应力仪和电解抛光法得到喷丸强化后沿铝锂合金试件厚度方向的残余应力分布规律.残余应力层深度约为0.24mm,最大残余应力出现在距表面深度为0.08mm处,验证了有限元模型的有效性.      

2324铝合金厚板内部残余应力分布特征及其影响

 采用了新改进的宏观应力释放法测定 2 32 4铝合金厚板内部残余应力,比较了 T39和淬火状态厚板残余应力分布特点,分析其成因,探讨了 T39状态特殊残余应力分布的成因及对加工性能的影响。结果表明 :T39状态残余应力分布特点为中心受压,与淬火态相反,且应力水平比淬火态低一个数量级,这导致了切削加工中特别的变形     

基于微分几何纤维缠绕回转壳封头的厚度计算

应用微分几何理论,建立了纤维复合材料在回转壳封头上稳定缠绕的数学模型,推导出了缠绕角、中心角与轴向坐标之间的微分方程。结合缠绕轨迹在封头上叠带的几何关系,给出了厚度的计算方法。算例表明该计算方法反映了纤维缠绕回转壳封头上厚度的分布规律,可直接应用于结构的初步设计。     

双轴应力下含裂纹加筋曲板剩余强度的弹塑性有限元计算

 采用考虑了大应变的弹塑性有限元方法,以裂纹尖端张开角为断裂准则,实现了双向受载条件下加筋曲板中裂纹起裂到失稳整个扩展过程的数值模拟计算;还对与加筋曲板有同样尺寸的加筋平板进行了分析和计算。结果表明,所提出的分析方法和所采用的断裂准则适用于对含裂纹加筋结构所进行的剩余强度分析。