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。

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。

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。

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。

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。

基于防缠绕技术的胡麻蒴果收获试验台设计与试验

针对胡麻机械化收获过程中植株缠绕脱粒滚筒问题,提出了1种基于割前摘脱原理的胡麻蒴果收获方式,设计了1种梳刷气吸复合式胡麻蒴果收获试验台。依据前期梳齿式胡麻蒴果梳刷试验台的台架试验结果,对试验台的关键零部件进行设计选型,对主要部件进行了动力学分析,对试验台的性能进行了台架试验研究。台架试验结果表明:各因数对蒴果脱尽率的影响都不显著,梳齿截面形状、离心式通风机风量和其它因素对蒴果破壳率的影响分别为显著、极显著和不显著,离心式通风机风量和其它因素对蒴果收集率的影响分别为极显著和不显著,梳齿截面形状和其它因素对植株缠绕率的影响分别为显著和不显著;得到较优试验因素组合梳齿截面形状为矩形、梳刷滚筒转速90 r/min、机具行进相对速度80 mm/s、离心风机风量6000 m^(3)/h;验证试验结果表明:在较优试验因素组合作业条件下,蒴果脱尽率为96.46%、破壳率98.91%、收集率95.66%、植株缠绕率2.52%。该试验台提供了解决胡麻植株缠绕脱粒滚筒和胡麻蒴果收集问题的可行性方案。

基于柱形容器缠绕特性的控制稳定性分析

针对玻璃纤维缠绕机在工作中由于张力不稳定导致的线型变化,以及在高速缠绕模式下的张力调节不稳定的问题,设计了自适应模糊PID控制策略以及适用于高速缠绕工况的滑模控制策略。首先,针对缠绕工况建立缠绕动力学模型、张力控制模型;其次,引入模糊PID控制策略和滑模控制策略分别对不同工况下的缠绕特性进行MATLAB-Simulink仿真,寻找最优控制策略;最后,基于被验证的最优控制策略进行实验。结果表明,在模糊PID控制的调节下,不同速度变化下的缠绕张力相对于无控制得到较好改善,提高了柱形容器在缠绕时的线性稳定性和张力稳定性。模糊PID控制对缠绕时的张力调节精度优于滑模控制,为大型管道缠绕设备提供了新的研究思路。

连续管可缠绕连接器接头优化研究

连续管可缠绕连接器接头设计对连接器性能有着显著影响。对设计的接头进行装配前后的数值模拟研究,并根据结果优化接头的刻槽深度及排布,优化后的接头最大抗拉强度达到400kN。所得结论可为连续管可缠绕连接器的设计提供有益借鉴。

小角度缠绕复合材料护岸管桩抗弯性能试验与设计

本文提出一种新型复合材料护岸管桩。该护岸管桩由纤维缠绕工艺制备的复合材料缠绕管制成。通过四点弯曲试验,得到试件的破坏模式以及荷载-位移关系,以此分析缠绕角度±55°、±15°以及是否浇筑混凝土对护岸管桩抗弯性能影响。结果表明:纤维缠绕角度由55°减小为15°与浇筑混凝土都能极大提高复合材料护岸管桩的刚度和抗弯承载力。在此基础上进行复合材料护岸管桩嵌固端深度计算公式推导,并给出护岸管桩的设计流程以及应用建议。这为之后复合材料护岸管桩应用于护岸工程提供了参考。

复合材料气瓶缠绕层的内部缺陷检测

复合材料气瓶具备质量轻、强度高、耐腐蚀与疲劳性能好等优势,但目前针对复合材料气瓶检验的国家标准主要以宏观检查为主,内外表面缺陷以及缠绕层的内部缺陷难以检出。分析了内部缺陷对复合材料气瓶的影响,对比并分析了3种缠绕层内部缺陷的检验方法,以期为复合材料气瓶的定期检验提供一定参考。

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。

以水压试验分析纤维缠绕角度对GFRP管力学性能的影响

基于海洋环境中长期受压的钢筋混凝土桥梁墩柱易发生开裂和锈蚀的特点,工程中越来越多地应用纤维增强复合材料(FRP)对桥梁墩柱进行加固处理。实践表明FRP纤维缠绕角度的大小对其能起到的加固效果存在一定的差异。为更好地探究纤维缠绕角度与力学性能的关系,对45°、60°和80°三组不同缠绕角度的玻璃纤维复合材料(GFRP)圆管进行水压加载试验,通过收集应力-应变数据计算不同角度下GFRP圆管的环向弹性模量。结果表明:随着纤维缠绕角度的增大,GFRP管的环向弹性模量由8.85 GPa提高到38.16 GPa,对钢筋混凝土墩柱的加固效果更好。

基于PLC的缠绕型管材切割锯的电气控制设计

针对以往多重增强钢塑复合压力管切割工作效率低、切面不平整的问题,设计了一款定长切割系统。使用PLC控制电机驱动,介绍了系统的机械结构以及触摸屏界面的设计。运用传感器对输入信号进行转换,PLC控制各个部分的电机,实现各功能模块的控制管理。工程的前期调试以及后续投入生产表明:此切割锯运行平稳,切口平整,设计合理,可单机操作也可联机操作,实现手动切割和自动化定长切割,满足使用要求。

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。