力热联合载荷下炭纤维缠绕壳体轴压稳定性分析

为了研究炭纤维缠绕壳体在力热联合载荷下的轴压稳定性,通过试验测试了炭纤维复合材料单层板在不同温度下的弹性常数,计算出炭纤维复合材料壳体在不同温度下的等效弹性常数。基于层合板理论计算了炭纤维复合材料壳体的临界轴压,设计了力热联合载荷下炭纤维缠绕壳体试验方案,测试了壳体在不同温度下的轴压破坏载荷。结果表明,炭纤维复合材料壳体的临界轴压随温度升高逐渐降低;当使用温度超过树脂玻璃化温度后,壳体轴压破坏载荷呈指数级下降;在临界轴压理论计算公式的基础上取修正系数为0.04,可准确预示炭纤维复合材料壳体的轴压破坏载荷。相关结论和方法可为固体发动机复合材料壳体和外防热结构设计提供依据。     

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。     

复合材料壳体的轴压稳定性

给出了复合材料壳体圆筒临界轴压的计算公式。讨论了用壳体内压和轴压实验确定复合材料圆筒弹性常数的工程方法。算例表明．计算值与实验结果符合良好。     

压剪联合载荷作用下复合材料壁板屈曲及后屈曲性能计算与优化方法研究

复合材料壁板被广泛用于航空航天结构,在外部复杂工况下壁板通常会受到面内压剪载荷的联合作用,其屈曲及后屈曲响应直接影响此类结构的极限承载能力。为此,基于改进的Koiter摄动理论,提出一种能够快速精确地开展复合材料壁板非线性屈曲分析的摄动有限元降阶方法,然后计算获得壁板的屈曲/后屈曲性能指标,即非线性屈曲载荷、后屈曲承载刚度以及承载刚度残余系数,最后将摄动降阶方法嵌套到复合材料铺层优化的分析流程中,获得压剪联合载荷下各种屈曲/后屈曲性能指标的最优铺层信息。数值算例验证了所提出方法的高效性和有效性。     

固体火箭发动机复合材料壳体的轴压稳定性研究

应用小挠度理论研究了复合材料壳体的轴压稳定性，总结归纳了其计算公式，并分析和研究了影响壳体轴压稳定性因素的敏感性，算例表明数值计算结果与实际经验结果相吻合。     

缠绕管件轴压强度的数值分析与实验研究

以Tsai-W u准则作为铺层失效判据,用三维有限元法研究了缠绕角度和环向缠绕层含量对炭/环氧管件轴压强度的影响规律。用Boltzm ann方程对有限元分析结果进行了数据拟合,得到轴压强度关于缠绕角的计算式。通过拟合公式计算了22°、35°、48°和61°共4种随机缠绕角的管件轴压强度,并对这4种缠绕角度的管件及其具有部分环向缠绕层的管件进行了轴压强度实验。实验结果验证了数值分析结果是可靠的。     

缠绕工艺关键参数对T800碳纤维复合材料壳体强度的影响

纤维缠绕工艺是影响固体火箭发动机复合材料壳体强度的重要因素,缠绕工艺参数对不同复合材料制备的壳体强度影响不同。基于网格理论,使用LS＿DYNA进行不同缠绕工艺参数下的壳体强度仿真,开展水压爆破实验,从而研究不同缠绕工艺参数对国产T800碳纤维复合材料缠绕壳体及东丽T800碳纤维复合材料壳体强度的影响,并进行对比分析。结果表明,对于国产T800碳纤维缠绕壳体和东丽T800碳纤维缠绕壳体,[90,±29,90]类型的铺层顺序下壳体破坏区域所受的应力较[±29,90,90]类型的铺层顺序更小;8 mm纱带宽度可以减少纱带间的搭接,提高壳体成型强度。[90,±29,90]的铺层顺序和8 mm的纱带宽度对于国产T800碳纤维复合材料壳体强度发挥更为有利,同时验证了国产T800碳纤维缠绕壳体强度能够满足设计要求。所得纤维缠绕工艺关键参数及结论,可为国产T800碳纤维壳体的设计应用提供借鉴。     

变刚度CFRP层合板在低速冲击下的分层失效分析

通过窄带曲线铺放技术制备获得变刚度复合材料层合板结构件,不仅可大大增加结构件设计优化的自由度,还可以改善其机械特性。开发了基于三维Hashin失效准则的VUMAT用户子程序,分析变刚度复合材料层合板在低速冲击工况下的渐进损伤行为。以CFRP常刚度层合板和七组不同变刚度铺层百分比的层合板为研究对象,研究变刚度碳纤维复合材料层合板在低速冲击载荷下的力学响应特性,以分层损伤面积和能量吸收为指征进行对比分析。变刚度铺层百分比为50%的层合板单层损伤面积相比常刚度层合板减少了2.57%,且层合板底层没有出现分层损伤的完全失效情况。研究结果表明,合理的变刚度铺层可以提升层合板的抗弯刚度,并使层合板在低速冲击载荷下吸收能量更少,提高了抗分层损伤性能。     

固体火箭发动机复合材料壳体裙连接区结构数值分析

对某固体火箭发动机纤维缠绕复合材料壳体轴压载荷作用下裙与筒段连接区(裙连接区)进行了有限元结构分析。依照壳体的结构特征和受力特性建立了裙连接区3D简化分析模型,通过对某芳纶纤维壳体仿真结果和实验数据的对比分析,验证了模型简化的合理性和有限元结果的正确性;最后对某炭纤维缠绕复合材料壳体裙连接区进行了数值分析和壳体连接区结构方案改进。结果表明,增加补强层厚度和提高补强层纤维模量可有效降低应变极值,改善结构应力分布,经改进的结构设计方案承载能力可提高20%。     

复合材料壳体轴压稳定性分析

利用有限元结构分析法,引入线性屈曲模态作为结构的初始几何缺陷,对复合材料壳体的轴压稳定性进行了非线性分析。将计算结果与线性屈曲分析及实验结果进行了对比,结果表明,由于初始缺陷等非线性因素的影响,结构的线性临界载荷高于非线性临界载荷,进行非线性分析是必要的。文中对壳体承受轴压能力进行了初步估计,可为复合材料壳体的稳定性工程设计提供参考。     

固体火箭发动机纤维缠绕壳体承载能力研究

为解决某型固体火箭发动机复合材料壳体承载轴压与弯矩能力不足问题,依据原壳体实体及其在轴压与弯矩联合载荷作用下的静力试验,建立了该壳体的有限元数学模型,并进行了静力计算和稳定性分析。计算分析表明,原壳体破坏的原因是层间剪切强度失效,复合材料基体开裂,局部屈曲和后屈曲破坏发生在铝裙尖端部位。提出用S-2玻璃纤维代替F12纤维做为裙外铺层改进原壳体结构,有效地约束了屈曲波形,提高了结构承载能力,解决了工程难题。     

整体复合裙的铺层比优化设计与轴压性能分析

通过有限元法研究了炭纤维无纬带与平纹布铺层的体积比λ对整体复合裙抗轴压性能的影响。分析表明,λ为7∶3时,复合裙的抗轴压性能较好。对用树脂传递模塑(RTM)工艺制备的具有优化铺层方式的复合裙进行了轴压性能试验,试验所得复合裙的轴压刚度与计算值的偏差为9.5%,试验的轴向应变-载荷曲线与计算的轴向应变-载荷曲线趋势基本一致。     

大型薄壁缠绕型复材壳体的振动特性研究

为研究大型薄壁缠绕型复材壳体的结构振动特性,基于复合材料层合板理论,采用有限元方法建立了某型号整流罩壳体结构细观分析模型,开展了整流罩壳体的模态仿真,以工程中常用的随机振动输入条件进行了振动特性分析研究,并进一步仿真分析了铺层方式、壳体厚度等关键参数对于整流罩壳体结构振动特性的影响规律。结果表明:壳体厚度对整流罩壳体呼吸模态的影响较大,随着模态阶数的升高,在同一振型情况下,厚度对材料结构的性能影响愈来愈大,在工程中常用的随机振动输入条件作用下,厚度变化对结构低频振动响应的影响较小;铺层方式对整流罩壳体的振动特性影响显著,当0°、45°和90°铺层同时存在的情况下,其低频振动特性相对较好,故通过优化铺层方式来提高整流罩壳体刚性是更为有效的措施。     

复合材料格栅结构屈曲特性分析

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.基于Mindlin一阶剪切变形理论下的层合板和层合梁单元,模拟格栅结构的蒙皮和肋骨,通过空间坐标变换和利用蒙皮和肋骨的几何连续条件,获得了复合材料格栅结构的单元切线刚度阵,并给出了复合材料格栅结构的屈曲有限元数值模拟方法.通过对设计状态的复合材料格栅结构的计算分析,并与实际轴压试验结果比对,,证明该计算方法可行,能够满足结构屈曲特性分析的要求.     

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。     

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。     

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%。     

推进剂贮箱壳体稳定性计算方法

应用扁壳理论,考虑加筋偏心,导出斜置加筋的推进剂贮箱壳体受轴压、轴侧压、轴内压载荷稳定性的计算方法.在运载火箭贮箱结构设计中的应用表明,该计算方法的理论值与试验值比较一致.     

充有弹性介质多层复合材料圆筒壳稳定性

本文分析了充有弹性介质的多层复合材料圆筒壳在轴压、侧压与水压作用下的稳定性。所采用的方法是用Galerkin—差分法求介改型的Donnell方程,再根据稳定准则确定临界值。若干算例已在文中列出。计算结果表明:内部介质材料性能和壳体的边界条件对临界载荷有较大影响。本文采用的分析方法和结论可供固体火箭发动机壳体设计工作者参考。     

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。