甘薯秧蔓机械化收获防缠绕割台的设计与试验

为解决甘薯秧蔓相互交错缠绕、难以分离导致收获困难的问题,设计了一种甘薯秧蔓机械化收获防缠绕割台,并对仿垄型拨禾切割机构、伸缩弹齿捡拾机构的作业过程进行受力及运动分析,得到其作业参数范围。为避免仿垄型拨禾切割机构和伸缩弹齿捡拾机构在作业过程中发生缠绕,搭建了甘薯秧蔓机械化收获防缠绕割台的试验台架,进行单因素试验,以此来确定仿垄型拨禾切割机构和伸缩弹齿捡拾机构的最佳转速范围;利用Design-Expert 13.0软件中Box-Behnken试验设计方法,研究前进速度、切割转速、捡拾转速三因素两两交互作用对甘薯秧蔓回收率、缠绕程度、伤薯率的影响,并建立回归模型,进行试验参数优化,得到最优工作参数组合,即前进速度0.995 m/s、切割转速61.043 r/min、捡拾转速100.939 r/min,此时甘薯秧蔓的回收率为94.553%、缠绕程度为2.169%、伤薯率为0.213%。为验证最优参数的可靠性,将最优工作参数组合数据化零为整,作为田间试验的作业参数,进行田间试验验证,结果表明:甘薯秧蔓的薯秧蔓回收率为93.55%,缠绕程度为2.42%,伤薯率为0.38%。

静水外压下纤维缠绕复合材料圆柱厚壳的稳定性研究

针对静水外压下纤维缠绕复合材料圆柱厚壳的临界屈曲载荷理论预报,本文基于Sander非线性壳体理论,结合圆柱壳变形几何方程以及纤维缠绕层的本构关系,推导出静水外压下纤维缠绕复合材料圆柱厚壳的屈曲控制方程;通过求解控制方程提出一种适用于静水外压下复合材料圆柱厚壳临界屈曲压力预报的解析方法;基于有限元模型对不同缠绕形式和缠绕角下的壳体临界屈曲压力进行对比计算,验证解析方法的准确性;基于解析方法,研究复合材料圆柱厚壳关键几何参数及材料设计对临界屈曲压力的影响。

基于渐进均匀化方法的CFRP缠绕储氢气瓶多尺度仿真研究

为模拟储氢气瓶的碳纤维复合材料(CFRP)缠绕层复杂结构及应力状态,建立介观尺度CFRP缠绕层代表体积单元(RVE),基于渐进均匀化方法求解均质化复合材料的等效材料参数。通过仿真CFRP层合板拉伸试验,验证渐进均匀化方法和宏观等效材料参数的正确性。基于网格理论确定储氢气瓶缠绕层,细观建模内衬相邻环向缠绕层,RVE模拟其余复合材料层,可准确预测气瓶响应。多尺度模拟70 MPa公称压力作用下三种CFRP缠绕层叠顺序结构的Ⅳ型储氢气瓶响应,结果表明:复合材料均质化模型与细观模型相比,复合材料层纤维方向应力的最大误差为8.7%,内衬等效应力最大误差为2%;交替缠绕次数越少,均质化模型误差越小。先螺旋后环向的缠绕方式或可将复合材料气瓶破裂压提高约15%。

基于OPC UA的纤维缠绕机信息模型开发和应用

为实现对复合材料纤维缠绕机生产过程的监测,以缠绕机及其辅助设备为研究对象,针对实际加工设备的多样性造成的加工数据采集的异构性,基于OPC UA建立缠绕机的信息模型架构。根据OPC基金会发布的OPC UA规范和相关的行业标准,建立纤维缠绕机系统的信息模型和实例化。基于开源项目open62541,导入编译后的缠绕机的信息模型代码,自定义开发出符合使用规范的OPC UA服务器,然后利用UA客户端实现对服务器的连接,客户端能够通过服务器查询系统的加工数据,解决加工数据的异构性问题以达到监测缠绕机生产加工过程的目的;最后验证了建立的纤维缠绕机信息模型能够正确导入到开源项目open62541中,实现了加工数据监测。

面向旋转载体的卫星导航天线相位缠绕问题与分析

为解决卫星导航接收机在小口径旋转导弹应用中无法实现载波连续跟踪问题,本文通过分析小口径旋转导弹接收的卫星导航信号特点,研究载体旋转对接收信号幅度和载波相移的影响,建立载体旋转状态下接收信号的幅度变化模型和载波相移模型,提出了天线相位缠绕会引入额外的载波相移并改进原有的系统模型。依据信号模型进行系统仿真,并搭建了试验环境以证明相位缠绕对载波相位测量引入的误差不可忽略。试验结果表明,本文所改进的相位缠绕系统模型与实测数据均方根误差为11.13°,为卫星导航接收机实现载波跟踪进行精确的相位补偿提供理论依据,进而为提高高速旋转载体卫星导航性能提供理论支撑。

圆形预应力钢丝缠绕正交预紧机架的缠绕分析计算

在预应力钢丝缠绕正交预紧机架结构的基础上提出了一种全新的机架型式——圆形预应力钢丝缠绕正交预紧机架。对该型机架的缠绕进行理论分析和计算,进而求得缠绕施工张力表,为钢丝缠绕施工提供重要理论依据。该型机架的研发是超重型承载机架结构的重要技术突破。

纤维缠绕建造技术的研究与展望

纤维缠绕建造技术是一种以无芯纤维缠绕技术为基础,采用自主建造机器人来实现大尺寸纤维缠绕结构及其构件的快速、准确和自动化建造的新型技术。本文针对纤维缠绕技术具有扩展到大尺寸建筑及其构件建造的潜力,首先重点介绍了纤维缠绕技术的基本原理、材料系统、机械设备和关键技术,其次梳理和归纳了这一新型建造技术在建筑施工领域中的应用,最后进一步探索和展望纤维缠绕建造技术的未来发展方向。

考虑张力制度影响的碳纤维缠绕容器爆破性能预测与仿真插件开发

针对缠绕张力对碳纤维缠绕容器承载性能影响规律尚不明确的问题,基于ABAQUSTM软件开发了一套用户友好、自主选择性好且高效的插件工具,能够自动化完成模型建立和相关设置工作,实现了考虑多种缠绕工艺参数的容器结构精细化建模。基于该插件工具,对碳纤维缠绕容器在不同缠绕张力制度下的爆破性能进行了参数化分析,通过爆破试验验证了数值模型的有效性。对于直径为Ф155 mm和Ф474 mm的容器,90 N-80 N-60 N和200 N-180 N-160 N逐层减小的缠绕张力制度将提高容器的爆破性能;对于20 N和30 N递减张力制度,直径Ф474 mm容器的爆破压强随着内层张力的减小逐渐降低,当张力递减幅度增加时,容器的爆破压强趋于稳定,其下降幅度由16.79%减小到3.05%。此外,容器封头段与筒身段过渡区域的应变水平最高,为碳纤维缠绕容器的薄弱位置。

直光纤及螺旋缠绕光纤三维地震响应机制

分布式光纤(DAS)测量轴向应变或应变率,其中直光纤接收的是单分量信号,对垂直于光纤入射的波的响应不敏感,螺旋缠绕光纤可接收多分量信号,可以解决上述响应不敏感问题。首先,分析了直光纤及缠绕角分别为35.3°、54.7°的螺旋缠绕光纤的P波、SV及SH波的理论轴向应变率响应;其次,利用三维弹性有限差分模拟了轴向应变率响应;然后,在地表、水平井、竖直井布设DAS,利用均匀模型、双层模型及西南页岩气模型模拟直光纤、缠绕角分别为35.3°、54.7°的螺旋缠绕光纤的地震响应,并将DAS轴向应变率响应与常规检波器的速度z分量、压力分量对比。结果表明:①直光纤接收单分量信息,在垂直于光纤方向接收的波的响应较弱,而螺旋缠绕光纤接收多分量信息,因此在垂直于光纤方向接收的波的响应较强;②缠绕角为35.3°的螺旋缠绕光纤地震记录中无S波响应,其波形与常规检波器压力分量相似,在成像中可以利用声波方程成像。

高效全自动数控缠绕机的设计开发

随着新能源技术的不断发展,高压气瓶的生产需求日益增长,纤维缠绕成型技术则是生产高压气瓶过程中的一种关键技术.目前纤维缠绕技术在国内发展中依然面临着许多严峻的挑战,如由于有芯纱团自身原因导致纱线缠绕张力控制不均以及缠绕手腕运作时所需的驱动电机过多导致成本过高等问题.故该文以数控龙门式缠绕机为研究对象,设计了一种缠绕手腕装置,然后对纤维缠绕工艺进行优化,提出了一种往复式数控有芯纱团张力控制方法,并通过实验对龙门缠绕机器的性能进行验证.实验表明,经过改进后的缠绕机缠绕速度提升至150 m·min^(-1),缠绕小车运行速度提升至125 m·min^(-1).

不同螺旋缠绕异形管换热器壳程性能数值研究

缠绕管的形状对螺旋缠绕管换热器的传热能力有重要影响,本文建立了具有不同截面形状的螺旋缠绕管换热器模型,数值研究了八种不同截面形状的缠绕管对螺旋缠绕管换热器壳程流动与传热性能的影响。相比于传统圆管,三叶管和水滴管对壳程流体造成的扰动较大,增强了螺旋缠绕管换热器的综合换热性能,而三叶管则具有最大换热能力。进一步分析了不同冲刷方式对螺旋三叶管换热器和螺旋水滴管换热器壳程性能的影响,结果表明:在相同的进口工况下,螺旋三叶管换热器壳程努塞尔数相比于传统圆管提高了11.8%~15.5%,阻力系数增大了41.9%~49.6%;螺旋水滴管换热器壳程努塞尔数相比于传统圆管提高了2.8%~4.3%,阻力系数增大了3.2%~6.8%;在雷诺数为2 603~5 206的工况条件下,管截面与流动方向夹角为0°的三叶管换热器综合换热性能最好,而管截面与流动方向呈逆流形式的水滴管换热器综合换热性能优于顺流形式。

矿物粉尘环境下矿井缠绕提升钢丝绳振动磨损特性研究

针对矿物粉尘易黏附于具有润滑保护的矿井缠绕提升钢丝绳表面而影响其接触磨损过程问题,利用自制缠绕提升钢丝绳振动磨损测试平台,分析矿井中常见矿物粉尘(煤炭颗粒和矿石颗粒)对缠绕接触钢丝绳间的摩擦学参数演化规律,并揭示其对钢丝绳磨损过程的干扰机制,以期为矿井提升系统的运维及延长钢丝绳使用寿命提供基础数据支撑.结果表明:随着煤炭颗粒体积分数从10%增至40%,钢丝绳在相对稳定阶段的平均摩擦系数从0.158增至0.173,而颗粒尺寸的增大则使其呈现出相反的变化趋势;此外,随着煤炭颗粒体积分数不断增加,钢丝绳磨损表面C元素含量越来越多,黏附效应越来越严重,且剥层现象也越来越明显;随着矿石颗粒体积分数增至40%,钢丝绳摩擦系数增至0.157,磨损深度增至120.4μm,且相比于煤炭颗粒,钢丝绳摩擦系数曲线更加平稳,而颗粒尺寸则与摩擦系数和磨损深度负相关;矿石颗粒浓度的增加及尺寸的减小均导致钢丝绳接触表面磨粒磨损程度更加严重.

竹基复合材料及其缠绕管助力双碳目标的实现

传统材料来源于不可再生、不可降解的化石原料,基于环保以及双碳目标的要求,绿色可再生原料的研发和生产势在必行。近年来,生物基材料迅猛发展,以竹木、秸秆等农林可再生资源的材料化应用,因此,提出将竹子应用于缠绕管制作是必要的。本文讨论了竹基复合材料及其缠绕管的核心技术以及竹基复合材料及其缠绕管相对于传统塑料管道的优势以及技术难点。

基于截面参数R(R_(1),R_(2))的金属缠绕垫片结构优化设计

金属缠绕垫片广泛应用于管道法兰静密封,其结构对力学性能和密封性能具有重要的影响作用。在常用金属缠绕垫片“V”形简化模型的基础上,提出改进的R(R_(1),R_(2))截面参数简化模型,可以更好地符合工艺要求;将柔性石墨密封带的接触压力、等效应力和压缩回弹作为关键性能指标,构建基本的柔性石墨金属缠绕垫片几何结构优化的目标函数及约束条件方程,利用ANSYS软件对改进模型进行仿真模拟分析,探究不同垫片结构参数对关键性能指标的影响,应用响应面法确定多约束条件下金属缠绕垫片的最优结构。

连续梁桥质量转动缠绕索装置振动台试验

为发挥活动墩的抗震潜能,提升连续梁桥纵向整体协同受力效果,基于功能分离与协同受力原理,提出一种质量转动缠绕索装置。以一典型三跨连续梁桥为例,通过以不同地震频谱特性和地震强度的实际地震波作为激励的振动台试验,分析各类地震作用下等墩高模型和不等墩高模型结构关键位置的地震响应的变化规律。从桥墩墩顶加速度响应、位移响应和墩底应变响应等结构关键位置的试验结果可以看出,装置对于增强活动墩参与连续梁桥纵向整体协同受力的效果较为明显,且随着地震动输入强度的增加,装置的协同作用越发凸显。同时,装置的作用效果与装置本身的缠绕圈数、活动墩的墩高等因素有关,设计时需要根据结构墩高的不同确定装置的合理设计参数,以实现装置的最佳应用效果。

规则连续梁桥质量转动缠绕索装置减震效果及影响参数研究

为解决连续梁桥纵向地震惯性力仅由固定墩承受的抗震设计难题,充分发挥与固定墩相同截面的活动墩的抗震潜能,基于缠绕索原理,研发了利用附加质量惯性力的质量转动缠绕索装置,从而实现固定墩与活动墩协同受力和限制梁端相对位移的目的。在阐述装置工作原理及构造特点的基础上,提出了装置的恢复力模型,并通过对一座三跨规则连续梁桥建立全桥有限元模型,研究了连续梁桥质量转动缠绕索装置的减震效果,系统分析了附加质量、摩擦系数和初始松弛系数取值对装置减震性能的影响。结果表明,质量转动缠绕索装置对于减小固定墩地震响应,提升活动墩参与连续梁桥纵向整体协同受力的效果较为明显,值得注意的是,不同地震波作用下减震装置参数对结构地震响应的影响略有不同。

缠绕管式固定床反应器压降模拟与实验研究

针对装填不同形状颗粒的缠绕管式固定床反应器,建立颗粒床层的物理模型,通过CFD-DEM(计算流体力学-离散元法)耦合模拟的方法,探究颗粒形状和缠绕管结构参数对床层空隙率、流体分布的影响,利用缠绕管式固定床反应器实验台对高雷诺数单相流动状态下的压降进行精确测量。结果表明:缠绕管螺距、层间距越小,床层空隙率越大,管径的变化对空隙率几乎没有影响。球形颗粒床层的流场分布差异较大,圆柱、棱柱颗粒床层流体分布均匀性依次改善。球形颗粒的CFD-DEM耦合模拟结果与实验结果吻合较好,但是非球形颗粒的模拟结果与实验结果存在一定误差。对多种压降预测公式进行对比,最后根据实验结果对常用的Ergun公式、Nemec-Levec公式进行常系数项修正来准确预测压降,研究结果可为缠绕管式固定床反应器设计和压降预测提供参考。

玄武岩纤维缠绕成型管道的损伤及承载能力研究

玄武岩纤维增强复合材料(basalt fiber reinforced composite, BFRP)具有耐腐蚀性强、比强度高、环保等优点,正确评价BFRP管道性能的可靠性和承载能力是将其应用于高附加值的油气输送领域的基础。对于玄武岩纤维(basalt fiber, BF)缠绕成型的复合材料管道,首先在细观尺度上获得浸胶纤维束的强度。然后,沿着管道的轴向和环向分别截取试件,测量了两种试件的拉伸强度;基于试验结果和有限元模拟,研究了管壁结构层在拉伸、压缩以及剪切载荷作用下的损伤演化,得到结构层的宏观本构模型。最后,建立了BF缠绕成型管道的有限元模型,研究纤维性能离散对管道承载能力的影响。结果表明,纤维有效含量对管道承载能力的影响很大,从纤维生产和管道成型工艺等方面降低纤维增强作用的离散性对于准确预测管道的承载可靠性,推动BF复合材料在油气管道领域的应用至关重要。

基于数字孪生的热电池保温棉自动缠绕系统研究

为提高热电池保温棉缠绕工艺的效率与质量,基于数字孪生技术开发了一种保温棉自动缠绕系统。首先,利用NX MCD软件创建保温棉自动缠绕装置的数字孪生映射结构模型,并通过TIA Portal软件实现了模型与实际物理装置以及控制设备之间的信息交互和状态检测,以更准确地反映缠绕动作及状态。然后,建立保温棉自动缠绕过程的力学模型,以深入分析缠绕机理。接着,通过有限元动力学仿真研究了缠绕张力和电堆转速对保温棉缠绕效果的影响,并将仿真结果导入数字孪生系统,以优化数字孪生结构层和控制层程序。最后,通过联合调试成功实现了保温棉缠绕自动化并生产出包覆效果良好的热电池电堆。所采用的研究方法有效地提高了研发效率、加速了设计过程以及降低了试错成本,可为缠绕包装自动化装配研究提供参考。

液体缠绕工艺用阻燃环氧树脂性能研究

针对液体缠绕工艺用环氧树脂进行阻燃改性,研究阻燃剂添加量对树脂与复合材料性能的影响。结果表明阻燃剂加入使树脂黏度略有降低,固化反应活性无明显改变。随着阻燃剂含量提高,环氧树脂拉伸强度基本稳定而冲击强度有所下降,其中30 phr阻燃剂添加的环氧树脂相比0 phr冲击强度下降44.1%。另外随着阻燃剂含量增加,树脂热分解稳定性提高,但过多添加阻燃成分不利于炭化层稳定形成。综合以上研究,20 phr阻燃剂添加量的树脂体系阻燃效果最优,50 W垂直燃烧测试结果达到V-0级,且力学性能具有较好保持率。改性后树脂与T700SC制备的复合材料NOL环拉伸强度达2790 MPa,层间剪切强度为50.7 MPa,树脂与纤维具有良好的结合界面。