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。     

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。     

多角度纤维缠绕复合材料圆筒张力设计

缠绕张力是纤维缠绕复合材料圆筒设计的一项重要研究内容,它对纤维缠绕复合材料圆筒的质量起着关键作用。基于三维各向异性弹性力学,提出了一种针对多层复合材料纤维增强树脂基圆筒的张力设计方法。模型中将张力诱导残余应力作为复合材料缠绕层初始应力,基于Tsai-Wu失效准则获得内压作用下给定铺层顺序的使得爆破压强最大的复合材料圆筒最佳张力制度。研究结果表明:对于单层螺旋缠绕,当缠绕角一定的情况下,随着张力的增加,圆筒爆破内压先增加后减小,不同缠绕角下对应的最佳张力值不同,随着缠绕角从0°～90°的增加,最佳张力值先减小后增加;对于多层螺旋缠绕,铺层模式确定的情况,随着缠绕张力的增加,爆破压强先增加后减小。因此,对于给定铺层模式,需要合理确定其缠绕张力,以保证最大限度地发挥纤维的承载能力。     

固化降温过程中推进剂药柱的瞬态响应分析

应用有限元法,对固体火箭发动机药柱在固化降温过程中的三维瞬态温度场进行了数值模拟,并基于药柱的粘弹性本构关系,计算了由瞬态温度场引起的应力应变响应。给出了危险点的应力应变随时间的变化规律,可供结构整体分析参考。     

一种燃气发生器的变推力设计与仿真

为了满足采用单一发射系统对不同重量不同初速导弹的发射要求,设计了一套包含多根产气药柱、可自适应点火、可变推力的燃气驱动装置。首先,根据驱动重量和速度要求,初步设计产气药柱对其产气性能及其作用的可靠性进行实验,为后续优化结构设计及仿真模拟提供依据;其次,采用数值仿真模拟的方法,研究不同作用药柱个数、作用时间及弹体质量,发射系统内部压强和弹体运动随时间的变化情况。仿真结果表明:驱动条件相同,弹体质量越重,其在发射筒出口处的速度越小、所用时间也越长;同一弹体,作用药柱个数越多,弹体在发射筒出口处的速度越大、所用时间也越短;为防止作用药柱个数过多导致发射筒内压强过大,采用时序控制装置对其进行时序控制,从不同作用药柱的时序组合中获取最优方案。仿真及实验结果表明,所设计的燃气发生器药柱燃烧性能好、可自适应点火、可为系统提供可变推力,其设计基本合理。     

非均布瞬态内压作用下星孔药柱应力分析

固体发动机大长径比药柱点火过程中内孔表面受到燃气压力作用,内压载荷迅速上升,并沿轴向分布很不均匀,为典型的瞬态非均布载荷。文中建立了内压载荷关于时间变化和位移分布的数学模型及瞬态非均布内压载荷下药柱结构应力的分析方法,并建立了三维贴壁浇注星型内孔药柱模型,用有限元法计算出非均布压力下的药柱应力-应变分布及变化过程。计算结果表明,载荷的非均布特性及瞬态特性对药柱应力-应变过程影响很大。升压梯度越大,对药柱结构完整性破坏越大。     

预浸带铺放成型复合材料构件应力场研究

预浸带铺放过程中的温度历程和热应力对复合材料构件成型后的质量有很大的影响。基于生死单元和循环载荷方法,对预浸带铺放成型复合材料构件的应力场进行了数值模拟,利用ANSYS中间耦合方法,实现铺放过程的温度-应力耦合分析:首先对铺放过程的温度历程进行求解,然后将温度场计算结果作为热载荷进行应力场分析,得到了预浸带铺放过程中构件内部的热应力分布及成型后的残余应力,最后分析了不同铺放参数对残余应力的影响。研究结果表明:在各层中,第一层的轴向、横向热应力最大,分别为64.8、11 MPa,随着铺放进行,各层自身的热应力逐渐增大;铺放头移动速度一定,热气温度从500℃升高到700℃时,构件成型后的轴向、横向残余应力分别增大了14、5.5 MPa;热气温度一定,铺放头移动速度从10 mm/s增加到30 mm/s时,构件成型后的轴向、横向残余应力分别减小了23.6、6.12 MPa,随着铺放层数增加,铺放速度对残余应力影响越来越小。     

双基固体推进剂药柱非线性蠕变特性实验研究

研究了某双基固体推进剂药柱的非线性蠕变性能。依据固体推进剂药柱试件在不同温度、应力水平条件下的蠕变实验,分析其蠕变行为的非线性特性。实验结果表明,其力学性能与时间、温度、应力强烈相关。构建了参考温度20℃和参考应力5 MPa水平条件下的蠕变柔量主曲线。理论和数值计算表明,较高温度和应力水平下的固体推进剂药柱短期蠕变实验,可用于预测其在较低温度和应力水平下的长期蠕变行为。利用5级Prony级数模拟的蠕变柔量函数与实验叠合主曲线能很好吻合。     

变截面星孔药柱在温度冲击载荷作用下的力学特性

基于热传导方程,时装有变截面星孔药柱的火箭发动机物理模型进行了合理简化,并根据推进剂材料的粘弹性本构关系,结合热流变简单材料的特性,对其受温度冲击栽荷的情况进行了数值计算,得到温度冲击载荷作用下药柱的实时温度场及应力.应变特性,分析了星尖处的应力随时间的变化及在药柱长度方向上的变化规律,得到药柱肉厚及温度冲击都会对应力...     

复合材料带缠绕成型过程建模及工艺参数优化

复合材料带缠绕成型过程中,成型工艺参数的选取决定了缠绕制品的性能。采用正交实验法研究各工艺参数对缠绕制品层间剪切强度的影响规律和敏感度,并将正交试验数据与神经网络理论相结合,对带缠绕成型过程进行建模,得到缠绕成型工艺参数与层间剪切强度之间的非线性映射关系,并通过实验验证了模型的可靠性。在此基础上,利用粒子群优化方法在可行工艺参数域内对缠绕成型工艺参数进行优化。仿真与实验结果表明,基于神经网络模型的工艺参数粒子群优化算法能够快速、准确的得到带缠绕成型的全局最优工艺参数组合。使得缠绕制品层间剪切强度达到最优的工艺参数组合为:加热温度115℃,缠绕张力357 N,压辊压力1006 N和缠绕速度0.28 m/s,在最优工艺参数作用下,缠绕制品的层间剪切强度达到102.2 MPa。     

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。     

包带式星箭解锁装置预紧力影响因素分析

分析了温度和外载荷对包带式星箭解锁装置预紧力的影响,推导出包带预紧力变化的计算公式。结合某卫星的星箭解锁装置静力试验,对包带式星箭解锁装置在不同温度和外载荷情况下的包带预紧力进行了测试。结果表明:在温度变化时,包带预紧力变化计算值与实测值相差2.8%～4.3%;在外载荷作用下,对接面上的压力越大,预紧力增加越大,计算值与试验结果相差11.5%～23.5%。上述分析结果对包带预紧力的计算具有一定的参考价值。     

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。     

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。     

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.     

“柱形”铝内衬纤维缠绕复合材料气瓶自紧分析

自紧是纤维缠绕复合材料气瓶加工成型过程中的关键工序,其自紧压力大小直接影响气瓶的承压能力及疲劳寿命。本文基于复合材料层合板理论及各向同性材料弹塑性理论,采用ANSYS有限元分析软件,建立各向同性金属材料及各向异性复合材料层的有限元分析模型,对航天用53 L"柱型"铝内衬纤维缠绕复合材料气瓶进行自紧分析,研究自紧压力对气瓶铝内衬和纤维缠绕层受力状态的影响,确定气瓶最佳自紧压力。研究表明,自紧处理能显著降低气瓶铝内衬在工作压力下的最大拉应力,扩大其弹性工作范围,提高疲劳性能。     

组分对CMDB推进剂抗过载性能的影响

应用于炮射导弹的发动机推进剂药柱在其发射期间承受几千甚至上万g的高过载,对推进剂的抗高过载性能提出了要求。根据3种配方CMDB推进剂20℃下的宽应变率单轴压缩实验,分析了固体填料含量对CMDB推进剂屈服应力的影响,并建立了3种配方CMDB推进剂Prony本构模型;通过有限元仿真软件建立了某一管型药柱的高过载模型并进行数值计算,对比了3种CMDB推进剂在高过载下力学响应的差异和抗过载性能的优劣。结果表明,3种推进剂配方在同一载荷工况下具有相同的最大应力,同一应变率下屈服应力大的推进剂配方抗过载性能更好;对于20℃的应用温度,CMDB推进剂最大抗过载幅值随固体填料增加呈现先增加、后减小的趋势,CMDB推进剂配方存在一个最佳固体填料含量,使得抗过载性能最好。     

复合材料格栅结构的强度分析(英文)

复合材料格栅结构是由连续纤维缠绕的斜向及环向肋和蒙皮组成的结构。对ANSYS软件进行了二次开发,分别采用层合板和层合梁单元模拟复合材料格栅结构的蒙皮和肋。根据复合材料格栅结构的几何特征及其载荷分布特征,采用周期对称有限元模型,分别以最大应力准则、最大应变准则和蔡-吴准则和Chang刚度退化准则对轴压载荷作用下的复合材料格栅结构破坏过程进行了强度预测,计算结果表明采用蔡-吴准则预测并结合Chang刚度退化准则的计算结果与试验结果的一致性较好。     

发动机点火过程中压强振荡对人工脱粘的冲击分析

针对固体火箭发动机点火过程,采用流固耦合的方法数值模拟了点火过程中发动机内流场以及药柱人工脱粘附近应力应变的变化情况.计算表明,点火初期发动机内部出现激波,并在药柱通道内振荡传播,随时间减弱为压强振荡.压强波动时人工脱粘缝隙的冲击会影响脱粘缝内流场的分布和应力应变,人工脱粘层尖端应力变化与升压梯度变化存在对应关系.激波对人工脱粘缝隙的冲击会引起装药明显变形,但是不会使缝隙增大.     

固体发动机药柱表面裂纹的处理

工程实际中通常采用于药柱表面裂纹处铲槽的方法来释放裂纹尖端的应力应变集中,以确保药柱含裂纹的固体发动机能正常点火发射.为确定铲槽的深度和宽度,基于线粘弹性三维有限元,首先确定发动机药柱点火发射时的危险部位;其次,在危险部位设置深度不同的裂纹,在裂纹尖端构建三维奇异裂纹元,模拟裂纹扩展,分别计算随着裂纹扩展所对应裂纹深度的各类应力强度因子,由此判断裂纹的稳定性,以确定是否需要对裂纹进行铲槽处理;最后,确定在危险裂纹处需要铲槽的深度与宽度.通过对某翼锥-圆柱组合型药柱在点火发射时的数值分析,提出了药柱危险部位裂纹的处理方法,量化了药柱表面裂纹的处理.该方法可为修复药柱表面含缺陷的发动机提供参考.