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.     

数控缠绕机的性能和控制系统的组成及使用编程

JKCR100-600B四坐标联动数控缠绕机,其主要性能指标为:缠绕直径100～1000mm,芯模重量2t,纱线速度40m/min;可缠绕对象为等开口、不等开口压力容器,包括锥体和球体等。根据缠绕过程中各坐标运动速度高、重复定位精度高等特点,在机械传动结构中采用了齿轮无间隙传动,为了减小运动部件的重量和摩擦力,采用了空心焊接结构和滚动导轨等。根据部颁标准规定了各运动坐标的符号,并定义各坐标的计数器为0时为机器原点。控制系统是由八位通用微机加扩展系统组成,扩展箱内插11块模板;各模板的主要功能:倍频、分频、计数、输入/输出D/A转换等。系统程序是由用户输入程序、计算程序、控制程序等组成。并以带有椭球封头的压力容器缠绕为例说明用户编程过程。     

纤维缠绕封头结构的一般性方程及其解

本文在壳体理论和均衡型网络分析的基础上,建立了纤维缠绕结构封头问题的一般性整化方程,可以用来求解封头曲面形状,纤维缠绕角和壳体厚度、纤维应力和应变、封头位移值、容积及其改变率、纱线长度和滑移系数等。对于等张力封头,给出了解析解;对于平面缠绕封头,用Rung-Kutta方法和Simpson方法给出了数值解,从而实现了表格化。     

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。     

树脂基复合材料壳体固化降温过程的热力耦合分析

以树脂基复合材料壳体固化工艺过程为基础,对复合材料壳体的固化降温过程进行了热力耦合仿真计算,采用实体单元建立纤维缠绕壳体的数值分析模型,对壳体固化降温过程模型内部的温度场、轴向位移、应力进行了分析。结果表明,复合材料壳体和绝热层在固化降温过程中温度不断降低,芯模、空腔、芯轴的的温度先升高后降低,固化降温一段时间后,模型内部不同位置的温差趋于稳定;复合材料壳体在降温过程中沿轴向向外膨胀,前封头与后封头极孔处的轴向位移分别为6.5 mm和4.3 mm,芯模和芯轴沿轴向收缩,通过比对,位移仿真结果与实测数据一致性较好;复合材料壳体应力随固化降温时间的增加不断增大,筒段中部裙内缠绕层之间的层间剪应力大于裙外层间剪应力的值,裙连接段处裙外层间剪应力大于筒段中部层间剪应力的值。     

某碳纤维复合材料发动机壳体设计研制

介绍了某直径400 mm碳纤维缠绕复合材料发动机壳体的设计研制。根据该发动机的结构,以石棉/丁腈橡胶为壳体绝热层材料,用网格法建立了封头和筒段等结构层的模型,并给出了发动机的纤维缠绕壳体壁厚和层数设计结果,以及芯模制作、壳体绝热层成型和壳体裙装配等主要成型工艺。工作压力、气密和爆破等水压试验结果表明,所设计的碳复合材料发动机壳体满足性能要求。     

用电子计算器计算等张力封头子午线及法向等距曲线的方法

纤维缠绕成型的内压容器封头种类中,有一种被公认为理想的等张力封头。有时容器内壁在缠绕之前,芯模上还要预先贴一层等厚度的内衬,如果芯模的表层是以石膏材料用样板刮制成型的,那么封头型面的样板曲线应为等张力封头曲面子午线的法向等距曲线。关于     

测地线缠绕90°弯管的运动方程

用纤维缠绕90°弯管主要有两种方法:计算机控制缠绕或摆动缠绕弯管机控制缠绕。本文分别讨论在上述方法中测地线缠绕时丝嘴运动规律。 在用计算机缠绕90°弯管时,由于芯模回转,丝嘴既可在三维空间也可在二维空间运动。文中分別给出了在这两种情况下测地线缠绕时丝嘴运动方程。 本文还讨论了实现整螺旋缠绕的条件和最优参数的选取。在缠绕受内压的弯管时,推荐取弯管曲率半径与弯管半径比值近似为4。为实现测地线缠绕90°弯管提供了依据。     

纤维缠绕壳体的成型工艺

主要针对纤维缠绕壳体试验缩比件的成型工艺（包括芯模制作、容器缠绕成型）以及缠绕工艺参数的合理选择进行了初步探讨。     

碳纤维缠绕壳体芯模及成型工装设计

对某缠绕壳体芯模形制的选择及芯模成型工装的设计进行了分析和探讨,提出了金属骨架石膏面层可拆卸芯模成型设计方案。通过对芯模金属骨架和刮刀的精心设计,重点考虑芯模骨架组装和可拆卸以及装配制造精度,解决了石膏芯模刮制成型技术问题,实现了缠绕壳体内型面及尺寸的精确控制。     

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。     

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。     

FRP固体火箭发动机壳体的非线性FW线型分析

对纤维增强复合材料（FRP）固体火箭发动机壳体的纤维缠绕（FW）线型进行了简要地分析。鉴于封头曲面上FW线型稳定性对于线型参数变化十分敏感，分析封头FW线型时，本文仍从测地线方面来考虑。依此，两赤道圆处FW角必须以左右封头几何尺寸及测地线FW条件来确定。在对筒身段非测地线FW可行性讨论中，提出了筒身段实现非测地线FW的条件，同时推导出了筒身段非测定地线FW运动控制的一般数学模型。     

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。     

带金属接头的复合材料壳体内压变形分析

采用数值方法对某2 m纤维缠绕壳体封头在内压作用下的位移进行了分析。采用层合单元建立该纤维缠绕壳体封头的变厚度数值分析模型,得到壳体内压作用下的变形模式。数值分析结果与水压试验得到的封头位移数据基本吻合。研究结果表明,带金属接头的复合材料壳体开口尺寸决定了前后封头的位移模式。前封头以复合材料部分的内压变形为主,在距离极孔约400 mm位置处发生最大位移,其值为21.8 mm。后封头以金属部分的内压变形为主,在后堵盖处发生最大位移,其值为30.4 mm。     

基于温度及芯模变形作用的复合材料缠绕张力设计

基于复合材料缠绕成型过程对工艺参数的要求,针对缠绕过程中芯模变形和加热温度对缠绕层应力分布影响等问题,建立温度和芯模变形作用下的缠绕张力设计数学模型。研究了温度引起缠绕层的应力分布解析模型,分析了缠绕内层和芯模在外层压力影响下制品的应力分布,结合3种典型的张力缠绕模型,研究了芯模内外径比以及张力锥度系数对缠绕层剩余张力的影响。提出实现缠绕制品等剩余张力下,初始缠绕张力和温度的理论关系。计算解析解与现有文献一致,文章考虑芯模变形和温度对制品应力影响,计算方法更符合实际,研究结果可用于缠绕张力设计和固化应力分析。     

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。     

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。     

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。