炭纤维复合材料壳体封头新型环向补强的数值模拟及试验

针对内压承载工况下炭纤维复合材料壳体封头的补强问题,基于网格理论完成了不同封头补强方式的480 mm纤维缠绕壳体的设计;利用商业有限元软件Abaqus和二次开发语言Python建立了含有补强结构的复合材料壳体的细观仿真模型,并通过数值仿真方法对接头附近的封头环向、纵向补强结构的补强作用规律进行了计算研究;通过壳体产品研制和水压试验研究了不同补强方法的成型工艺性和对内压承载性能的提升效果。结果表明,采用环向补强技术的封头内压下具有更低的纤维方向应变和层间剪切应力;采用环向补强技术的封头内压下具有更大的轴向变形,更小的法向变形,与纵向补强方法结果相反;采用环向补强壳体的封头内压承载性能和稳定性能明显优于纵向补强方法;采用环向补强的复合材料壳体容器特征系数比纵向补强复合材料壳体提高了约5%。     

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。     

复杂载荷下复合材料组合壳体局部补强的数值分析

分析某固体火箭发动机的复合材料组合壳体在轴压、外压及弯矩联合作用下的变形情况发现,该结构铺层设计不够合理,造成复合材料铺层变形不协调,导致结构过早破坏。通过数值模拟方法,对在复杂栽荷作用下结构复合材料局部铺层改变进行补强研究,提出相应的优化局部铺层补强的方案。计算结果表明,所提出的局部改变铺层的方法可以较大幅度地提高结构承载能力,为结构设计的改进提供参考。     

纤维缠绕厚壁柱形压力容器的应力和变形

研究了各向同性材料内胆对称缠绕纤维的厚壁圆柱形容器在内外压力作用下的变形和应力.采用正交各向异性本构关系和轴对称厚壁筒理论,利用解析方法获得了纤维层和内胆的变形和应力,以及纤维方向的应力;对壁厚较厚和不同缠绕角,更准确地揭示纤维向应力和内胆应力.比较了分别用玻璃纤维环氧和炭纤维环氧缠绕铝内胆和钢内胆的容器在内压作用下,不同缠绕角方案中内胆和纤维向应力分布.研究表明,壁厚对不同缠绕角容器的应力和变形影响不同,总体影响较小;从降低内胆的等效应力和充分发挥纤维纵向强度角度看,炭纤维缠绕铝筒最好;横向强度和剪切强度是缠绕复合材料容器的主要控制参数,缠绕工艺需要提高这些指标以充分发挥纤维纵向强度.     

也谈谈补强圈的信号孔

本文介绍一种补强圈外有保温层或防火层的)信号孔结构。 《压力容器安全技术监察规程》第49条中规定:压力容器上的补强板,应至少设置一个直径不小于M6的泄漏信号指示孔。GB150-89第10、9、3条规定:容器的开孔补强圈应在压     

在开孔区补强的玻璃钢壳体变形研究

复合材料结构设计的实际提出了带有局部开孔的层壳应力状态理论与实验研究的课题。由于在壳体中存在非中心开孔,因而引起具有局部特征的应力集中区,它在确定结构的承载能力时起很主要的作用。在开孔区增强纤维失去承载能力决定了要适当加强同时对开孔区边缘进行补强的必要性。这些问题的理论研究已进行了一系列基础工作。在纤维     

固体火箭横向响应载荷识别方法

利用小波分析在时频两域都具有表征信号局部特征的特点,对固体火 箭飞行遥测过载数据进行了小波分解,然后从结构动力学理论出发提出了一种识别固体火箭 截面剪力和弯矩的方法。结合某型固体火箭的遥测参数对火箭主要截面弯矩和剪力进行了 识别,给出了识别结果。该方法对自由-自由飞行的固体火箭截面横向载荷的评估及设计 具有重要的参考意义。
     

某缠绕壳体补强工艺研究

通过对某缠绕壳体采用玻璃纤维补强、条形碳布补强、环形碳布补强等工艺方法的研究,了解不同材料、不同形状的补强方法、补强材料的用量及其对壳体强度、重量的影响,完成水压爆破试验,得出壳体爆破压强。综合评价玻璃纤维补强、条形碳布补强、环形碳布补强等工艺方法对壳体的影响,选择一种适合某缠绕壳体补强的工艺方法。     

基于梁模型的火箭纵横扭一体化建模技术

针对以往火箭纵向和横向采用不同的结构动力学分析模型,无法反映捆绑式火箭纵向 与横向、纵向与扭转模态耦合问题,采用助推器捆绑结构局部空间建模技术和液体推进剂耦 合质量方法,模拟捆绑连接刚度和推进剂在纵向、横向和扭转特性中的不同作用效果。该技 术拓宽了梁模型的适应范围,实现了基于梁模型的火箭纵横扭一体化建模,为研究模态密集 、纵横扭耦合严重的捆绑火箭动力学问题提供了有效手段。
     

大型玻璃纤维/环氧复合材料壳体开孔补强工艺技术研究

简要介绍了壳体开孔处的补强方法,采用补强环对某大型玻璃纤维/环氧复合材料壳体前封头开孔进行合理补强。试验结果表明:对壳体开孔部位采用补强环补强比用补强布补强的效果好,壳体纤维铺层设计与补强有机地结合是带有多喷管壳体优化设计的重要方法。壳体在前封头开孔进行合理补强后,纤维发挥强度提高约12%;壳体水压爆破时封头、筒身段同时破坏,纤维强度得以充分发挥。     

纤维缠绕复合材料及混杂复合材料的双轴力学性能

本文对碳纤维(CF),Kevlar 49纤维(KF),玻璃纤维(GF)及其层内混杂复合材料压力容器的成型工艺和双轴力学性能进行了试验研究。对容器在内压作用下因刚度退化所引起的非线性应力应变行为,用逐步线性刚度退化理论进行拟合,所得理论值和实验结果相当吻合。水压试验和应变测试表明,在KF压力容器中加入CF,并使强度基本不变的前提下,可明显提高容器的刚度,基体的开裂强度有可能提高近3倍。若CF—GF层内混杂,则表现出较大的负混杂效应。     

短纤维补强硅橡胶包覆材料研究

介绍了短纤维对橡胶补强的特性和机理。研究了四种纤维对用作火箭推进剂包覆材料的室温硫化（ＲＴＶ）硅橡胶力学性能的影响，分别考查了不同长度的碳纤维和不同添加量的高硅氧玻璃纤维补强后硅橡胶作用效果。     

随机振动引起空间反射镜面形退化的机理研究

为了确保遥感器能够承受发射过程中的力学环境,需要在地面对遥感器及其部组件进行充分的振动试验,随机振动试验是主要的试验方法之一。对于反射镜组件,除了需要关注常规的刚度和强度特性,还需要重点关注试验前后的面形变化。在多个型号的研制过程中,均出现过随机振动试验后反射镜组件面形发生退化的现象。因此,亟需研究随机振动试验引起的反射镜面形退化机理。文章通过对反射镜安装界面进行受力分析,研究了随机振动等效准静态加速度、连接刚度、预紧力以及摩擦力之间的关系。通过仿真分析发现横向残余应力是导致面形退化的主要因素,并给出了残余应力的估算公式。最后,结合某空间相机主镜组件的随机振动试验,验证了横向残余应力引起反射镜面形退化的机理。分析和试验结果表明,当达到产生横向残余应力的条件时,反射镜面形开始退化,横向残余应力越大,反射镜面形退化越严重。     

大型真空容器结构设计中的有限元分析与应用

真空容器是大型空间环境模拟器的主体结构系统。文章在分析了真空容器系统结构及其设计方法的基础上,以某大型空间环境模拟器真空容器系统设计为例,探讨了有限元法在真空容器设计中的应用。工程实践表明,利用有限元法对大型空间环境模拟器容器系统进行分析设计,可以解决复杂载荷下的结构应力计算,优化真空容器的局部结构,提高容器系统可靠性和经济合理性。     

玻璃纤维树脂增强压力容器的三心圆封头的强度和变形——环半径/圆筒直径比对于球半径与圆筒直径相等的封头之影响

我们做了6台带有三心圆封头的玻璃纤维树脂增强圆筒压力容器的破坏试验。各容器的标称厚度与直径之比为0.01,封头的球半径和圆筒的直径都是1米。环半径有三种尺寸,分别为0.29、0.19和0.1米,相对应的封头高度分别是0.32、0.25和0.19米(每种尺寸的容器各做了两台试验)。把试验结果同现行的英国国家设计标准(BS4994)以及根据弹性应力分析运用计算机所求得的预测值(BOSOR4),进行了比较,完全证明了最大应力和应变是随环半径的减小而增加的。另外还发现:由于三心圆封头玻璃纤维树脂增强圆筒压力容器(GRP)的高弹应变,封头在压力作用下几何形状的变化对极限强度有很大的影响,再加上壁厚的局部增加,使得封头有所加强,以致在所试验的6台容器中,仅有3台的破坏发生在三心圆封头上。     

正交各向异性层合圆板的非轴对称弯曲

利用层合板的宏观应力应变关系，从三维板壳理论入手，建立了对称铺设正交各向异性层合圆板在外载荷作用下弯曲问题的微分方程。考虑一个复合材料整星隔振适配器与卫星所组成系统的横向运动等效模型，计算出特殊正交各向异性层合圆环板在集中弯矩作用下的解析解，并与有限元计算结果进行对比，证明了解的正确性。     

常规法设计压力容器时对压力变化的考虑

压力容器的常规设计方法,都是按不变载荷来考虑的,容器壁内的应力认为是一定值、是不随时间而变化的。但在生产中,容器并不是单独存在,而是通过管道与其它生产设备连成一体构成工艺装置才具备生产能力。因而,容器总是受开车与停车、升温或降温、操作压力的波动、流体的冲击等影响而存在载荷的变化。这种经常变化的载荷的作用产生交变应力使容器发生疲劳破坏。常规设计方法只允许极有限次交变载荷的作     

空间绳系组合体拖曳动力学分析及振动控制

空间绳系捕获系统捕获目标物后的组合体在拖曳离轨过程中常产生振动,为此,建立了切向连续推力作用下的空间拖曳绳系组合体面内动力学模型,并对模型进行了横向摆动与纵向振动耦合分析。针对组合体的纵向振动问题提出了一种以张力控制为内环、速度控制为外环的双闭环振动控制策略。进行了振动控制仿真分析,并根据动力学的相似性,建立地面模拟实验系统,仿真与实验结果表明该控制策略可迅速抑制组合体纵向振动、减小系绳冲击并可避免出现系绳松弛现象。     

容器放气性能影响因素试验研究

文章研究了容器的放气速率与气体种类、管道的长度和截面尺寸、背压等因素的关系,分析了放气过程中导管内气体的流动状态.容器内压力从600 kpa下降到5～15kpa的过程中,导管内气体处于流动壅塞状态;在压力进一步下降的过程中,导管内气体处于粘滞流状态.不同气体对放气过程的影响主要体现在壅塞流状态下气体的流速(音速)不同而导致放气速率不同,对粘滞流状态下放气的影响体现在气体的粘滞系数不同上.缩短容器导管长度或扩大容器导管内径,可以显著减少放气时间.真空罐内真空度进一步提高不会增加容器的放气速率.     

固体火箭发动机碳纤维复合材料壳体补强技术探讨

在提出固体火箭发动机碳纤维复合材料壳体水压破坏形式以及探讨其破坏原因的基础上,分析了壳体内部及搭接处应力集中区的形成,探讨了封头处不同材料搭接时,其刚度对应力传递的影响。最后,总结并提出了国内众多科研院所在碳纤维复合壳体前后封头补强这一领域的现状和研究进展。