纖維螺旋纏繞厚壁筒的等強(qiáng)度設(shè)計(jì).pdf

1、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料已成為當(dāng)今科技發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，它具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、抗疲勞、耐腐蝕等諸多優(yōu)點(diǎn)，己廣泛應(yīng)用于航空航天、機(jī)械制造、汽車工業(yè)、化工、紡織、醫(yī)學(xué)、建筑和體育用品等領(lǐng)域。纖維增強(qiáng)壓力容器是復(fù)合材料的典型應(yīng)用實(shí)例。現(xiàn)如今，圍繞如何提高纖維纏繞壓力容器的強(qiáng)度，國內(nèi)研究者開展了許多研究，纖維纏繞設(shè)備及其控制技術(shù)越來越成熟。然而，如何控制纏繞張力變化規(guī)律實(shí)現(xiàn)纖維強(qiáng)度利用率的最大化，依然需要深入研究。
　　現(xiàn)有的纖維纏繞結(jié)構(gòu)研究都

2、將纏繞后的纖維層看成一個(gè)均勻結(jié)構(gòu)，未考慮纏繞過程中沿厚度不同應(yīng)力狀態(tài)造成的纖維體積含量變化。本文基于纏繞過程中不同厚度位置的應(yīng)力狀態(tài)變化造成的纖維體積含量和強(qiáng)度參數(shù)變化，設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)睦p繞張力變化規(guī)律，以實(shí)現(xiàn)纏繞后的螺旋纏繞厚壁筒在內(nèi)壓作用下沿壁厚的等強(qiáng)度設(shè)計(jì)。
　　首先，依據(jù)纏繞纖維層的正交各向異性本構(gòu)關(guān)系和彈性力學(xué)厚壁筒理論，建立內(nèi)外芯模等纏繞角纏繞結(jié)構(gòu)的雙層筒模型?；谖灰菩问降钠胶夥匠糖蠼?，獲得芯模和纖維層在內(nèi)外壓力作用下的變

3、形和應(yīng)力分布，以及纖維方向的應(yīng)力解析公式。
　　其次，基于纏繞張力作用下引起的纏繞層的應(yīng)力狀態(tài)變化形成沿壁厚力學(xué)性能非均勻的結(jié)構(gòu)，依據(jù)纏繞過程中的纖維束應(yīng)力狀態(tài)，推導(dǎo)獲得纖維體積含量與所受應(yīng)力狀態(tài)的關(guān)系?；谡桓飨虍愋员緲?gòu)關(guān)系和雙層筒模型的離散疊加法，建立了給定纏繞張力確定纖維纏繞厚壁柱形結(jié)構(gòu)剩余張力的計(jì)算方法。計(jì)算獲得等張力纏繞后的纖維層的纖維體積含量沿壁厚的分布。
　　最后，依據(jù)強(qiáng)度指標(biāo)與纖維體積含量的關(guān)系獲得不同厚度

4、位置的纖維纏繞層的強(qiáng)度參數(shù)，并利用Tsai-Wu張量準(zhǔn)則進(jìn)行三向應(yīng)力狀態(tài)下的強(qiáng)度計(jì)算。設(shè)計(jì)沿壁厚適當(dāng)變化的纏繞張力以達(dá)到工作內(nèi)壓作用下沿壁厚等強(qiáng)度。
　　研究表明:等張力纏繞工藝使內(nèi)層纖維體積含量和強(qiáng)度均略高于外層，纖維纏繞厚壁柱形結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度分析和設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮這種影響;等張力纏繞后的各層纖維剩余張力并不均勻，致使結(jié)構(gòu)強(qiáng)度沿壁厚分布非均勻;在考慮纏繞張力引起的纖維體積含量對(duì)強(qiáng)度指標(biāo)影響和剩余張力變化的條件下，利用變化的纏繞張力設(shè)計(jì)可