纤维缠绕角度对复材缠绕管的轴向抗压性能影响分析

在对海洋环境下新型复合材料约束混凝土构件的研究和应用中,不同纤维缠绕角对复材缠绕管轴向压缩性能的影响不可忽视,为此在实验室中分别对纤维缠绕角为45°、60°和80°的玻璃纤维复合材料管开展了轴向压缩试验,分析了三种不同纤维缠绕角度对其轴向压缩性能的影响。结果表明:通过采用一种实用新型简易的试验装置,能够精确测量复材管的轴向受压性能:随着纤维缠绕角的变小,复材管的轴向压缩弹性模量从9.64 GPa提高到13.07 GPa,泊松比从0.13提高到0.74。

缠绕角度对碳/环氧厚壁管件轴压性能影响的有限元分析

建立厚壁缠绕管件的轴压有限元模型,分析相同压缩载荷条件下不同缠绕角度对管件轴压模量,径向形变和剪应力的影响,并对厚壁缠绕管件在轴压载荷下的破坏模式和部位进行了预测分析。结果表明:受轴压管件的缠绕角度宜控制在20°以内,对管件端头进行环向缠绕加强可以提高管件的轴压强度和刚度。

纤维缠绕角度对FRP管约束混凝土组合柱力学性能影响

为研究不同纤维缠绕角度对FRP管约束混凝土组合柱的协同工作性能,通过参考已有文献数据,分析不同纤维缠绕角度、壁厚对FRP管约束混凝土组合柱抗压强度、承载力和延性影响规律。结果表明:随着FRP管纤维缠绕角度和壁厚的增大,组合柱承载力、延性、抗压强度增大。基于已有试验,拟合出强度计算公式,与已有的试验结果吻合较好,可为FRP管约束混凝土组合柱的实际工程应用提供参考。

纤维缠绕角度对CFRP-Al混合圆管横向受载性能影响

基于准静态横向弯曲试验对缠绕工艺下制备的CFRP/Al混合圆管进行抗弯性能和吸能特性研究,分析了混合圆管的破坏模式,基于不同纤维缠绕角度的碳纤维复合材料-铝合金混合圆管三点弯曲试验结果,通过有限元仿真方法研究了内层纤维缠绕角度对其横向抗弯与吸能特性的影响。试验结果表明,CFRP-Al混合圆管横向载荷下的失效形式、损伤模式与纯铝管基本保持一致,但受纤维缠绕角度的影响失效形貌略有差异。纤维缠绕角度越小,CFRP-Al混合圆管的抗弯性能和吸能性越好,同时压溃效率(CFE)明显降低。基于验证的有限元模型,研究不同角度纤维缠绕内层对于表层纤维层的应力传递影响,小角度缠绕内层对于管件的轴向拉伸变形抑制增加了管件整体峰值载荷与吸能作用,大角度缠绕内层对于管件环向刚度的提升增加了整体压溃效率。依此分析可为合理设计CFRP-Al混合管提供有效依据。

非粘结柔性立管螺旋键缠绕角度敏感性分析

非粘结柔性立管结构形式复杂,层与层之间涉及摩擦、接触等非线性特性,使其数值模拟方面很难同时保证效率与精度。针对柔性立管特殊的结构形式,本文建立不同角度螺旋键的非粘结柔性立管高效分析简化模型,通过Ansys workbench软件分析非粘结柔性立管在内压和拉伸、扭转、弯曲的组合荷载工况下螺旋键缠绕角度对其刚度的影响。结果表明:本文所建立的立管简化分析模型与立管原型的力学性能吻合较好,并且可以提高计算效率;螺旋键缠绕角度越大,立管的扭转刚度越大,拉伸刚度与弯曲刚度越小;内压的施加对拉伸刚度、扭转刚度和弯曲刚度是有利的,内压对于弯曲刚度有较明显的增加,对拉伸刚度和扭转刚度有较小程度的增加。

大管径螺旋缠绕高压玻璃钢管缠绕角度对其强度的影响研究

针对大管径螺旋缠绕高压玻璃钢管在实际生产过程中因缠绕角度的变化导致其短时水压失效强度发生明显变化进行分析,通过设定系列缠绕角度,在确保其它工艺及生产参数不变的情况下,生产30°、35°、40°、45°、60°、75°、85°缠绕角DN150高压玻璃钢管各3根,在相同条件下进行短时水压失效强度试验及纵向拉伸试验,分析试验数据总结出螺旋缠绕高压玻璃钢管缠绕角度对其强度影响的规律。

缠绕角度对复合绝缘子用玻纤缠绕管关键性能的影响

本文对缠绕角度为40°、45°、50°、55°、60°以及65°的复合绝缘子用玻纤缠绕管进行了关键机械和电气性能研究。结果表明,随着缠绕角度的增加,材料的轴向拉伸和垂直层向弯曲强度逐渐降低,轴向压缩强度逐渐增大,平行、垂直层向击穿强度和介电常数基本持平。在实际工程应用中,综合考虑缠绕角度控制在50°~60°较为合适,也可采用多角度复合缠绕。

复合材料回转壳体纤维缠绕角度设计及试验验证

随着碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer/Plastic, CFRP)及其制造工艺的发展,可设计性较强的CFRP产品用来替代金属结构以实现轻量化设计,受到更多设计者的关注.以CFRP回转壳体为研究对象,基于ABAQUS建立CFRP回转壳体有限元分析模型,探讨缠绕角度对结构力学性能的影响,并设计了两种纤维缠绕方案.通过拉伸性能分析、压缩性能分析以及加速度过载性能分析对设计结构进行强度校核,最终确定以[90°/(90°/±20°/±45°)2/90°/±20°/90°/±45°/90°]s为成型方案.采用干法缠绕工艺对该方案的CFRP回转壳体进行制作,通过试验法进行对比验证.结果表明:纤维缠绕角度为0时,CFRP回转壳体抗压性能最优;抗拉强度/模量偏差率为24.23%/18.71%,抗压强度/模量偏差率为9.56%/18.62%,过载强度模量偏差率为3.22%/2.72%,验证了有限元模型具备一定的准确性;根据安全系数计算可知,该纤维缠绕设计方案能够达到技术性能指标要求.

FRP纤维缠绕角度对FRP管约束钢骨混凝土中长柱偏压力学性能的影响分析

利用ABAQUS有限元分析软件,对20个FRP管约束钢骨混凝土偏压中长柱进行有限元分析,将有限元分析结果与已有试验结果进行对比,在验证有限元分析结果正确的基础上,针对组合柱的受力全过程进行有限元分析,研究FRP纤维单、双向缠绕角度对组合柱偏压力学性能的影响,进一步分析FRP管、钢骨协同工作性能。研究表明:偏心受压中长柱的受力过程可分为弹性阶段、弹塑性阶段和破坏阶段3个阶段;对于FRP管壁纤维单缠绕构件,长细比为5时,其极限荷载随着缠绕角度的增大而增大;长细比为8时,其极限荷载随着缠绕角度的增大而降低,但后期延性性能却有所提高;对于FRP管壁纤维同向交替缠绕构件,长细比为5时,其极限荷载均比相应的单向缠绕角度的构件低;长细比为8时,其极限荷载均比相应的单向缠绕角度的构件高;对于长细比为8的FRP管壁纤维双向交叉缠绕构件,其极限荷载均高于同组其他构件;偏压组合柱的截面应变符合平截面假定,各组成材料之间协同工作性能较好。

散粒体填充FRP缠绕管桥梁防撞装置冲击吸能特性及构造参数研究

针对传统被动防撞装置可能存在的体积大、造价高、维护困难以及对撞击力的削减效果有限等缺陷,提出一种新型防撞装置,该装置在纤维增强复合材料(FRP)缠绕管内部密填低密度耗能散粒体,并将多个防撞节段拼接成整体,环绕桥墩以抵御船舶撞击。为了解该新型防撞装置的防撞性能并选取合适的构造参数,分别对纤维缠绕角度±45°、±75°的新型防撞装置局部试件进行冲击试验及有限元模拟,并对缠绕角度与缠绕管壁厚进行防撞性能构造参数分析。结果表明:有限元模型与试验结果吻合良好,缠绕角度为±75°的新型防撞装置相比于缠绕角度±45°的新型防撞装置在冲击作用下更易发生剪切破坏,比选得到壁厚为4 mm、缠绕角度为±45°的新型防撞装置在6.0 m冲击高度下的冲击力峰值削减率达到55.82%,防撞效果最优。

不等开口柱形压力容器的渐变角度缠绕规律研究

柱形压力容器缠绕通常要求两端开孔大小相近,在缠绕工艺实施上可以通过平衡缠绕角度的方法实现稳定落纱,当两端开孔相差较大时,常用的螺旋向缠绕将无法实现;针对这一问题,本文提出一种针对不等开口、大长径比的柱形压力容器缠绕线形设计方法,通过筒身段的渐变缠绕角度设计和公式推导,实现了纤维的稳定落纱和筒身螺旋缠绕段的均匀过渡;通过对不等开孔柱形容器样件缠绕工艺实现表明,该设计方法具有良好的实用效果。

小角度缠绕矩形复合材料管的研究

主要从材料选择、模具设计、线型设计等方面着手,对小角度缠绕矩形复合材料管成型技术进行研究;设计的带挂线模具封头在小角度缠绕下改善了纤维缠绕线型滑线,减少了材料损耗;解决了小角度缠绕矩形复合材料管的缠绕线型稳定问题。实践结果表明:小角度缠绕矩形复合材料管方法可行。

CFRP缠绕周向内波纹耐压壳铺层优化设计

[目的]为顺应深海潜航器耐压壳结构轻量化、高强度的发展趋势,提出碳纤维复合材料(CFRP)缠绕铝合金周向内波纹耐压壳的结构增强方法,并对其CFRP铺层方式进行优化设计分析。[方法]利用ABAQUS有限元仿真软件,通过改变CFRP铺层参数,根据复合材料层的层间应力分布情况,探究14层CFRP铺层下最佳缠绕角度,进而获得最佳铺层方式。并结合相关强度失效准则,对其强度进行校核。[结果]研究结果表明:CFRP增强周向内波纹耐压壳最优缠绕角度为40°,在铺层方式为(±40°2/±55°2/±70°2/90°2)时,层间应力分布较为均匀。该结构的强度满足实际使用需求,且其质量更轻。[结论]该结构可减轻深海耐压壳整体质量,推动深海耐压壳设计向轻量化方向发展。

锥形压力容器变角度缠绕设计研究

复合材料压力容器两端极孔大小常因不同型号产品要求而不同,而这常常导致在缠绕设计中,容器两端缠绕角不同,在此需要进行变角度缠绕设计。基于CADWind软件对锥形结构压力容器变角度缠绕设计进行了探索研究,由软件模拟得到大端缠绕角为45.3°,小端缠绕角为31.9°,结合实际对部分参数进行微调,可以实现纤维的稳定缠绕及全覆盖。

小角度缠绕聚氨酯基复合材料电力杆塔的材料力学性能研究

聚氨酯基复合材料是近年来新研发出的新型复合材料,其具有良好的力学性能及可加工性,广泛应用于电力及建筑领域。目前国内对其的相关报道主要集中对0°、90°、±45°铺层方向上,对小角度夹角聚氨酯基复合材料力学性能分析鲜有报道,做了大量验证性的试验,系统地研究了小角度聚氨酯基复合材料的基本力学性能,为电力杆塔的合理设计提供可靠的数据支持。

纤维缠绕复合管材短期爆破压力理论分析

根据一定的假设和简化构建了理论爆破压力的计算模型,并通过力学平衡法推导出纤维增强复合管材的理论短期爆破压力计算公式,然后对不同缠绕角度涤纶纤维增强高密度聚乙烯管材进行短期爆破压力测试。由实测数值与理论计算结果的偏差可知,纤维层的环向方向各层纤维受力不均不能忽略,需要对理论公式进行修正,与实测数据进行对比发现,修正公式计算结果最大误差为1.12%,可准确预测爆破压力。不同缠绕角度的计算结果表明,随着纤维缠绕角度增大,短期爆破压力先增大后减小,该管材在最大短期爆破压力时对应的缠绕角度为最佳缠绕角度,其值为60.05°。

复合材料缠绕管弯曲载荷下的力学性能

本文研究了铺层角度对缠绕制品弯曲性能及失效模式的影响,结果表明:±45°均衡层合板和复合材料管失效应变最大。复合材料缠绕管缠绕角度为±45°时,弯曲载荷作用下制品变形最大,破坏时曲率半径为0.35m;缠绕角度增加,缠绕管柔性急剧降低。缠绕角度为±60°时,弯曲破坏曲率半径为0.53m,相比±45缠绕管增加了51%。随着缠绕角度的增加,弯曲破坏模式由受压屈曲失效转变为极限应变失效,增大缠绕角度可以抑制受压屈曲造成的失效。

内衬聚偏氟乙烯热塑层的纤维缠绕复合材料管径向平压性能

纤维缠绕角度、纤维缠绕层厚度及碳/玻纤维混杂比是影响内衬聚偏氟乙烯(PVDF)热塑层的纤维增强热固性复合材料缠绕管径向平压性能的重要因素,其性能直接决定复合材料缠绕管产品掩埋深度和抗碾压能力。将PVDF颗粒经挤出机制成PVDF管,然后以表面喷砂处理后的PVDF管为内衬芯管,采用湿法缠绕技术制备不同结构参数的复合材料缠绕管。利用管平行板外载平压性能测试方法,测试了3种结构参数对复合材料管径向平压性能的影响,并分析其破坏模式与失效机理。结果表明,随缠绕层厚度的增加,径向压缩强度和径向压缩模量逐渐增大;随着缠绕角度的增大,径向压缩强度和径向压缩模量先增大后减小;另外,随着碳/玻纤维混杂比的提高,复合材料缠绕管的压缩强度和压缩模量相应增加。

基于螺旋缠绕光纤的分布式声波传感三分量信号采集机理研究

常规分布式光纤声波传感(DAS)技术利用光纤对轴向应变敏感的特点开展单分量信号采集,在开展三分量振动信号采集时,通常需要对光纤进行螺旋缠绕布置。在采用不同的角度进行缠绕时,光纤的轴向位置必然不同,导致光纤对X,Y,Z 3个方向的振动信号具有不同的敏感性。针对上述问题,通过建立单根螺旋缠绕光纤的数学模型,确定了光纤轴向应变的影响因素,推导了螺旋光纤轴向应变与光纤所在位置处3个方向真实应变之间的数学映射关系,定量分析了不同缠绕角度、不同旋转角度条件下三分量振动信号对光纤轴向应变的影响,并采用波动方程模拟的三分量数字信号对螺旋光纤轴向应变所接收到的等效信号进行了验证。分析结果表明,螺旋光纤在轴向方向上采集到的信号强度取决于X,Y,Z三分量信号自身的强度、光纤缠绕角度以及缠绕过程中光纤各点的相对空间位置,随着缠绕角度的增大,螺旋光纤对沿缠绕轴方向的地震波信号敏感性增强,对垂直于缠绕轴方向的信号敏感性减弱,垂直于缠绕轴方向的两个分量地震波信号在数值上呈现出周期性和互补性变化规律,为利用螺旋缠绕光纤开展分布式声波传感三分量振动信号的采集提供了理论基础。

钢丝缠绕胶管伸长率和应变能密度协调设计

基于ABAQUS有限元分析软件,建立Φ152mm 4层钢丝缠绕胶管的有限元模型,得到5MPa内压作用下管体的最大轴向伸长率和最大应变能密度,利用正交设计对胶管由内到外1~4层钢丝缠绕角度进行优化,找出最佳角度排列。结果表明:正交设计优化后胶管的最佳角度排列为40°,-35°,25°,-15°,与原设计胶管相比,最大轴向伸长率减小52.08%且成功控制在0.3%以内,最大应变能密度仅增加2.5%,胶管的轴向伸长和使用寿命得到协调控制。