凹回转曲面纤维缠绕架空分析及应用

针对诸如带喷管固体火箭发动机的凹曲面过渡段等负高斯曲率面的缠绕,应用微分几何曲面理论推导出了凹回转曲面的纤维缠绕架空条件及判据,并对不同的过渡段曲线进行了分析,分别给出了判别公式。通过缠绕实验验证了架空判据的正确性和实用性,表明采用单叶双曲面比采用凹圆曲线回转曲面具有更好的缠绕工艺性,且其直纹线的缠绕角恰好为不架空的临界缠绕角;缠绕时,为了保证运动的平稳性,需要剔除奇异点,进行平滑处理。     

基于区域缠绕法的复杂型体轨迹规划研究

针对参数化缠绕方法不适于复杂型体缠绕轨迹规划的问题,提出了区域缠绕法。该方法通过对纤维缠绕受力分析,基于网格理论和局部趋势面理论,建立了纤维稳定缠绕数学模型,并给出了算法实现流程,为纤维缠绕复杂型体提供理论基础。     

纤维稳定缠绕研究

针对复杂型面纤维缠绕可能出现的纤维滑移现象,应用微分几何理论和力学分析方法,研究了纤维缠绕过程中滑移系数与摩擦系数的关系,得到了纤维稳定缠绕的判据;通过试验分析了影响单向预浸料摩擦系数的因素,为复杂型面纤维稳定缠绕奠定了基础.     

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。     

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。     

圆柱形过滤器端部缠绕的堆积问题

在对圆柱形过滤器进行缠绕成型时,由于缠绕角、端部过渡长度以及芯模直径的大小等影响,过滤器端部经常出现纤维堆积的现象,导致纤维缠绕精度下降、机床运动干涉而造成材料浪费。经理论分析和仿真试验,提出了分别基于改变摩擦系数、调整轨迹跳越数和调整端部过渡段的减轻堆积的方法,最后应用该方法对航空用油过滤器进行缠绕成型试验,验证该方法的正确性和可行性。     

纤维缠绕压力容器爆破压强计算

用于固体火箭发动机壳和工业贮藏的纤维缠绕压力容器,爆破压强是重要的设计参数。本文基于网络理论,给出了纤维缠绕圆筒压力容器圆筒和封头爆破压强的计算方法,给出了用模拟实验压力容器确定纤维发挥强度的方法。算例表明,计算值与实侧结果符合良好。这些方法可供纤维缠绕压力容器设计者参考或直接应用。     

PBO纤维及其复合材料工艺性能研究

介绍了PBO纤维的结构特点及部分物理性能，研究了影响PBO纤维NOL环干法缠绕成型的几种主要工参数，对干法及湿法两种成型方法的Ф150mm压力容器性能进行了试验研究，对其破坏界面进行了电镜分析。结果表明：干法缠绕成型的Ф150mln压力容器的PV／W值最高可达47．55km，湿法缠绕成型的可以达到60．42km。     

夹层复合材料圆柱壳表层的缠绕优化

以平衡型稳定网络为约束条件,以等强度和提高临界失稳载荷为设计目标,对夹层复合材料圆柱壳体的缠绕表层进行了优化研究。首先,基于等强度设计,得到表层的最优缠绕方式为螺旋加环型缠绕,且螺旋缠绕角应满足α≤54.7°;其次,以结构强度及稳定性为双重指标,采用ABAQUS建立有限元模型,求解不同长径比的夹层复合材料圆柱壳的最优螺旋缠绕角α_(opt)。研究发现:当长径比0.5≤η≤3时,随η增加,表层的最优缠绕方式从单一螺旋加环型缠绕过渡至纵向铺放加环向缠绕,且最大临界失稳载荷Pcr近似呈二次递减关系。该优化方法不仅可达到轻量化要求,而且满足结构强度和稳定性双重指标。     

锥柱面螺旋线短程线与网格缠绕成型技术

针对复合材料网格结构筋条及蒙皮缠绕成型的需求,运用微分几何方法,对柱圆锥面螺旋线短程线进行了探讨。解决了复合材料网格结构筋条及蒙皮的缠绕成型问题。结果表明圆柱和锥段螺旋线的弧长和曲率计算方法,可用于圆柱段和圆锥段复合材料网格结构成型装置的设计生产和纤维缠绕。对数螺线和阿基米德螺线的弧长和曲率计算方法,可用于锥段复合材料网格结构软模成型装置的设计生产和纤维缠绕,为复合材料网格结构自动化制造创造了条件,同时针对工程需要,对不同的网格结构选择不同的加工成型方式,可大大降低加工难度,实现低成本快速批量生产。     

基于非测地线理论的回转体缠绕成型的数学模型

根据非测地线缠绕的有关理论，详细分析了微机控制纤维缠绕机的丝嘴运动规律，推导出了丝嘴运动方程和芯模的转角方程，为复杂芯模的缠绕以及微机控制纤维缠绕机的推广应用奠定了基础。     

纤维缠绕壳体参数程序设计

纤维缠绕壳体在生产前必须求得缠绕角、线型、缠绕层次、挂轮比等诸多参数。目前采用的是人民计算及查找的设计方法。该方法过程繁琐,效率低下,稍有不慎就会发生错误,且必须全部重新进行设计。为此,作者开发了一套利用计算机进行设计的系统。该系统提供了有关算法及Ｖｉｓｕａｌ Ｂａｓｉｃ源程序。使用该软件,可在计算机上完成纤维缠绕壳体参数的设计工作,大大提高了设计者的工作效率。该软件使用方便,设计结果精确可靠。     

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。     

圆筒纤维缠绕变张力神经网络动态控制

 缠绕张力作为纤维缠绕成型中的关键影响因素,其波动直接影响缠绕精度和制品的性能。针对缠绕张力的动态变化,且保证制品等环向残余应力,提出神经网络动态控制缠绕变张力方法。考虑芯模变形影响,基于各向异性缠绕层弹性变形及各向同性内衬厚壁筒理论,给出外压作用下缠绕层的径向应力及环向应力;在弹性范围内采用应力叠加原理建立剩余张力与缠绕张力之间的解析算法。基于制品环向残余应力叠加特点,采用给定输出层权值的神经网络算法,通过误差反向传播及放大方法,对等环向残余应力制品纤维缠绕过程中的缠绕变张力进行动态更新。仿真与实验结果表明:该控制方法对纤维缠绕变张力起到动态优化作用,可以达到预期要求,且更符合实际缠绕过程。     

吸波复合材料回转体构件的缠绕工艺

对吸波复合材料构件的缠绕工艺特性及存在的问题进行了分析,综合现代复合材料缠绕成型工艺,针对含有吸收剂的缠绕层,提出了"双辊同槽、双线夹芯复合"的浸胶工艺制备预浸纱带,以湿法缠绕工艺制备回转体吸波复合材料构件的工艺方法。工艺特性分析表明,选用相应的缠绕规律和工艺参数能够满足不同形态的回转体构件绕制,使吸收剂在各缠绕层中均匀分布、含量可控,保证了制件的吸波性能稳定、质量可靠。     

CAD/CAM技术在复合材料缠绕成形工艺中的应用

将CAD/CAM技术应用于纤维缠绕成型工艺过程中,介绍了其整体架构和实现过程。同时,在分析了成形工艺过程特点的基础上,对CAD/CAM系统各个组成模块和功能进行了深入的分析和研究。     

弯曲流道内二次流动的运动学分析和 数值可视化方法

通过运动学分析,得到了涡量与二次流之间的关系方程,介绍了弯曲流道内二次流结构的可视化方法.以截面法向涡量为基础,可求解得到与涡量对应的二次流速度场.该方法具有以下几个特点:从运动学求解得到的涡量与二次流流函数之间的方程,直接体现了二次流作为涡的特性,且作为分析流动结构的后处理方法,能够量化地求解出二次流速度以及分布情况.该方法消除了位势流的影响,使二次流显示更加真实清晰,这种方法比速度矢量图法更加准确完善.      

纤维缠绕不等极孔椭球类容器的应力分析及优化

基于微分几何推导出了不等极孔椭球类容器纤维缠绕的非测地线稳定缠绕方程,并根据薄膜理 论、层合板理论、蔡-吴失效准则得到了赤道处纤维层的最小厚度1. 281 7 mm,计算出的纤维方向的应力小于 纤维的极限强度3. 92 GPa。发现纤维缠绕椭球容器的应力状态是赤道处最先发生破坏,且会出现局部失效现 象。以缠绕层最小质量M 为目标函数,蔡-吴失效准则为约束条件,在给定内压5 MPa 的情况下,得到了优化 后的容器质量为34. 072 kg。相比于等极孔的容器而言,非测地线缠绕具有高度非线性、不稳定性及精度难以 控制等问题。