纤维缠绕壳体设计的网格分析方法

讨论了用于纤维缠绕薄壁结构设计的网格理论的意义。基于网格理论,得到了固体火箭发动机纤维缠绕壳体圆筒壁厚和爆破压强的计算方法,给出了用模拟实验压力容器确定纤维发挥强度的方法。算例表明,计算值与实测结果符合良好。

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 。

纤维缠绕圆筒压力容器结构分析

对具有内衬的纤维缠绕圆筒压力容器进行了结构分析。将内衬作为各向同性材料、纤维缠绕圆筒作为正交异性材料处理。在内压作用下,得到了内衬和纤维缠绕圆筒的弹性应力和应变。讨论了内衬和纤维缠绕圆筒材料选取和结构设计准则,即应选取弹性模量很低、强度较高和塑性良好的材料作内衬;选取模量和强度都较高的纤维缠绕圆筒;内衬壁厚应尽可能薄,且与纤维缠绕圆筒粘接牢固。算例表明,弹性应力分析结果与测试值符合良好。

具有衬里的纤维缠绕压力容器分析

给出了具有衬里的纤维缠绕压力容器纤维厚度的设计计算方法。当容器的结构一定时．给出了确定爆破压强的方法。

纤维缠绕气瓶设计分析

讨论了具有金属内衬的纤维缠绕气瓶在加压和卸压过程中的变形特性。依据网格理论,给出了纤维缠绕壳体的设计方法。对塑性性能良好的金属材料内衬,可用强度理论中的最大正应变准则进行强度设计。推导出气瓶卸压时内衬不失稳所应满足的条件。为使卸压时内衬不失稳,内衬与纤维缠绕壳体之间应有足够的粘接强度,而且内衬的壁厚应越薄越好。对壁厚较薄的内衬,给出了气瓶卸压时内衬不失稳的最小粘接强度的确定方法。算例表明,文中给出的设计分析方法,可用于具有金属内衬纤维缠绕气瓶的初步设计。

混杂纤维复合材料受拉构件的最优混杂比研究

基于复合材料力学中的复合定律和断裂应变破坏准则,讨论了混杂纤维复合材料的断裂特性,得到了以纤维层拉伸强度和拉伸模量表示的两种纤维混杂复合材料受拉构件的临界混杂比和拉伸强度;并讨论了最优混杂比的选取方法。算例表明,文中给出的最优混杂比的确定,就是一种满应力的优化设计,它可用于固体火箭发动机混杂纤维缠绕壳体的初步设计。

混杂纤维缠绕壳体设计

应用网格理论 ,得到了固体火箭发动机混杂纤维缠绕壳体在内压作用下的平衡方程。给出了混杂纤维缠绕圆筒壁厚的计算公式。讨论了用模拟实验压力容器确定纤维发挥强度的问题。算例表明 ,文中给出的设计计算方法 。

纤维缠绕壳体的应力平衡系数和圆筒缠绕角

讨论了纤维缠绕壳体应力平衡系数的定义。在封头与圆筒等强的条件下,给出了应力平衡系数的确定方法。得到了应力平衡系数ks与圆筒缠绕角α的关系式。结果表明,应力平衡系数随圆筒缠绕角的减小而减小。只要ks<1,则应力平衡系数的引入,将增加圆筒的质量。为此,适当增大圆筒缠绕角,既能使封头得以加强,又能减小圆筒质量的增加。

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。

固体发动机复合材料壳体变形分析

用正交异性薄壳理论分析了复合材料壳体的变形,得到了内压作用下圆筒和封头的应变和位移表达式。结果表明,最大工作压强下圆筒的环向应变只与壳体的安全系数及材料的弹性常数有关,与最大工作压强无关。算例表明,计算值与测试结果吻合良好。

炭纤维壳体封头设计的几个问题

讨论了炭纤维壳体封头低压破坏的原因及3种破坏模式,即靠近赤道附近部位的封头发生断裂,极孔部位在环向应力作用下断裂和封头沿接头肩部外缘被剪(弯)断;得到了3种破坏模式的强度校核公式。给出了防止封头破坏宜采取的有效措施,对开孔很大的后封头,宜采取补强措施;给出了补强层厚度和补强范围的确定方法。

环向纤维增强钢压力容器设计分析

用弹性理论分析方法 ,得到了环向纤维增强钢压力容器(压缩天然气气瓶 )在内压作用下的应力。给出了气瓶爆破压强以及钢筒和纤筒壁厚的计算方法。讨论了提高气瓶疲劳强度的技术途径。算例表明 ,计算值与实验结果符合良好。

固体发动机的密封问题

对固体化箭发动机密封的充分必要条件及密封界面上的应力分布进行了分析，为了提高密封的可靠性，对O形圈密封结构设计提出了若干建设性意见。

药柱内表面应变与壳体应变的关系

由固体火箭发动机药柱变形过程中的体积不变原理,推导出内压作用下圆管药柱内表面环向应变与壳体环向应变的关系式。利用这一关系式,可由壳体圆筒的环向应变预报药柱内表面的环向应变,在发动机工作过程中可对药柱内表面环向应变进行实时监测。给出了药柱m数的确定方法,表明m数不仅与最大工作压强、药柱力学性能有关,也与壳体结构,及其材料的力学性能参数有关。在最大工作压强作用下,得到了壳体圆筒所允许的最大环向应变。

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。

混杂纤维复合材料的体积含量、质量含量和孔隙率

讨论了混杂纤维复合材料体积含量和质量含量的定义和作用;推导出了由质量含量确定体积含量或由体积含量确定质量含量的计算公式;给出了孔隙率的定义和确定孔隙率的方法。由于单一纤维复合材料是混杂纤维复合材料的特例,文中给出的计算公式同样适用于单一纤维复合材料。

复合材料壳体缠绕芯轴设计分析

讨论了空心芯轴的优越性,得到了芯轴内、外直径的确定方法,给出了芯轴强度和结构稳定性校核方法。当芯轴外直径一定时,空心轴与实心轴相比,芯轴挠度和芯模质量都减小了。算例表明,文中给出的计算方法可用于空心芯轴的设计。

固体火箭发动机壳体特性系数

讨论了固体火箭发动机壳体特性系数的定义,给出了钢壳体和纤维缠绕壳体特性系数的表达式。结果表明,壳体特性系数不仅与壳体材料的比强度有关,还与壳体封头结构及圆筒长径比有关;对纤维缠绕壳体,特性系数还与纤维的体积含量有关。因此,将壳体特性系数作为壳体材料的性能常数是不正确的。在其他条件相同的情况下,增加圆筒长度是提高壳体特性系数的有效方法。

内压作用下壳体刚度对药柱强度的影响

在厚壁圆筒内、外压强作用下弹性应力解的基础上,利用三维问题的应力-应变关系,得到了厚壁圆筒内的应变和位移表达式;由圆管型药柱与复合材料壳体连接处的径向位移连续性条件,得到了内压作用下药柱与壳体之间的压强;讨论了该压强对药柱内应力和应变的影响,给出了药柱内的应力和应变表达式。结果表明,提高壳体圆筒的刚度或减小药柱的m数,可有效减小药柱内表面的环向应变。对低温服役的战术发动机,宜采用中强高模炭纤维制作壳体。

固体火箭发动机中的螺栓连接问题

对固体火箭发动机中有关螺栓连接的几个问题进行了讨论。给出了拧紧力矩与螺栓所受应力的关系、螺栓拧断力矩及预紧力矩的确定等。