纖維螺旋纏繞厚壁筒的等強度設計.pdf

1、纖維增強復合材料已成為當今科技發(fā)展的重要物質基礎，它具有質量輕、強度高、抗疲勞、耐腐蝕等諸多優(yōu)點，己廣泛應用于航空航天、機械制造、汽車工業(yè)、化工、紡織、醫(yī)學、建筑和體育用品等領域。纖維增強壓力容器是復合材料的典型應用實例?，F如今，圍繞如何提高纖維纏繞壓力容器的強度，國內研究者開展了許多研究，纖維纏繞設備及其控制技術越來越成熟。然而，如何控制纏繞張力變化規(guī)律實現纖維強度利用率的最大化，依然需要深入研究。
　　現有的纖維纏繞結構研究都

2、將纏繞后的纖維層看成一個均勻結構，未考慮纏繞過程中沿厚度不同應力狀態(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力狀態(tài)變化造成的纖維體積含量和強度參數變化，設計適當的纏繞張力變化規(guī)律，以實現纏繞后的螺旋纏繞厚壁筒在內壓作用下沿壁厚的等強度設計。
　　首先，依據纏繞纖維層的正交各向異性本構關系和彈性力學厚壁筒理論，建立內外芯模等纏繞角纏繞結構的雙層筒模型。基于位移形式的平衡方程求解，獲得芯模和纖維層在內外壓力作用下的變

3、形和應力分布，以及纖維方向的應力解析公式。
　　其次，基于纏繞張力作用下引起的纏繞層的應力狀態(tài)變化形成沿壁厚力學性能非均勻的結構，依據纏繞過程中的纖維束應力狀態(tài)，推導獲得纖維體積含量與所受應力狀態(tài)的關系?；谡桓飨虍愋员緲嬯P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構剩余張力的計算方法。計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，依據強度指標與纖維體積含量的關系獲得不同厚度

4、位置的纖維纏繞層的強度參數，并利用Tsai-Wu張量準則進行三向應力狀態(tài)下的強度計算。設計沿壁厚適當變化的纏繞張力以達到工作內壓作用下沿壁厚等強度。
　　研究表明:等張力纏繞工藝使內層纖維體積含量和強度均略高于外層，纖維纏繞厚壁柱形結構的強度分析和設計時應考慮這種影響;等張力纏繞后的各層纖維剩余張力并不均勻，致使結構強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強度指標影響和剩余張力變化的條件下，利用變化的纏繞張力設計可