基于声发射技术的T800碳纤维复合材料拉伸失效机制分析

为揭示固体火箭发动机碳纤维缠绕复合材料壳体多载荷工况下的失效机理,开展了单向T800碳纤维复合材料试件不同偏轴角度下的拉伸实验。利用声发射(AE)无损测试技术获得了试件完整波形信号,结合Pearson相关系数选取了AE信号的特征参数,通过K-means聚类算法对AE信号进行了聚类分析,同时结合扫描电镜(SEM)拍摄的微观断口形貌将不同的损伤机制与声发射聚类组对应。进一步利用代表性体积单元并结合渐进损伤方法,实现了单向复合材料损伤过程的数值模拟。分析结果表明,AE信号的峰值频率与幅值两类参数的相关系数低于0.2。采用二者对AE信号进行聚类分析,同时结合数值仿真获得的应力-应变曲线,发现纤维断裂峰值频率最高,基体开裂峰值频率居中,界面脱粘峰值频率最低,试件宏观破坏时的AE信号幅值最高。

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。

纤维缠绕气瓶机械损伤的数字射线检测技术研究

为对纤维缠绕气瓶的检验检测提供技术依据,文章针对车用压缩氢气纤维全缠绕气瓶的机械损伤缺陷,采用数字射线技术进行检测。实验结果显示,缺陷深度对拍摄结果影响显著,深度大于0.5 mm的缺陷在照片中清晰可见,而0.2 mm深度的缺陷则无法显现。同时,垂直于纤维缠绕方向的斜向缺陷清晰度较高。通过侧向拍摄气瓶瓶肩位置,能清晰分辨纤维缠绕层和内胆层,有助于精确定位缺陷。此方法符合GB/T 42626—2023标准,可有效分辨三级和部分二级损伤,为气瓶检验提供技术依据。文章不仅提高了对气瓶内部结构的认识,更为氢能源公交车的安全运营提供了重要技术支撑,具有实际应用价值。

碳纤维湿法缠绕基体配方及成型研究

研究了碳纤维增强复合材料用湿法成型工艺、基体配方的性能和使用期。研究的 HT1 1 A、HT1 1 B两种配方浇注体拉伸强度达到 1 0 0 MPa以上 ,模量为 3.9GPa,力学性能优良。配方具有较高的耐热性 ,使用期大于 9h,完全适用于湿法缠绕成型。缠绕的 Φ1 50 mm碳纤维增强复合材料容器特性系数 ( PV/W)均大于 34 km,纤维强度转化率 ( K)达到 82

基于蚁群算法的复合材料缠绕壳体铺层顺序优化

为了提高纤维复合材料缠绕壳体结构的屈曲稳定性,本文将蚁群算法(ACA)求解旅行商问题(TSP)的方法引入到缠绕层顺序优化的计算中。阐明铺层顺序优化的本质是调整沿板厚方向的刚度分布以提高版的抗弯刚度,同时改善荷载的传递路径,以降低由偏心而产生的附加弯矩,从而提高结构的抗屈曲能力;扩展了经典蚁群算法,提出一种分组编解码方法,既可描述缠绕工艺对铺层排列组合的约束,又可降低城市数目以提高优化效率;通过与经典算例的比较,验证了本文方法的有效性和优越性;并研发了复合材料缠绕壳体铺层顺序优化程序系统,实现了壳体结构的屈曲稳定性优化设计。

具有金属内衬复合材料纤维缠绕容器固化过程的数值模拟

基于固化反应动力学、热传导和复合材料层合理论,采用了有限元分析方法,对具有金属内衬的复合材料纤维缠绕压力容器在固化工艺过程中的温度和热应力分布及其变化规律进行了数值模拟。通过一典型容器数值分析,表明在固化工艺过程中,中容器内部的所有应力分量具有同时达到峰值的特征,其中应力分量的峰值出现在固化降温阶段的初期。提出了数值模拟的方法和分析结论对复合材料结构设计师和工艺师合理制订金属内衬复合材料纤维缠绕容器的工艺标准具有一定的参考价值。

国内外复合材料气瓶发展概况与标准分析(二)

复合材料气瓶在航天、航空和民用领域都有着广泛的应用,对复合材料气瓶的研制进展和典型应用进行了简要介绍,并分析了复合材料气瓶及其成型工艺的发展趋势,综述了航天、航空和民用领域复合材料气瓶标准的发展概况,并针对我国复合气瓶标准制定面临的问题进行了分析。

基于网络理论的固体火箭发动机纤维缠绕壳体优化设计

基于网络理论按爆破压强设计的纤维缠绕壳体基本方程,在结构、工艺等约束条件下,选取不同纤维材料,以壳体质量为目标,利用线性多步法和复合形法,优化设计纵向层平面缠绕、圆筒部分在环向缠绕的固体发动机纤维壳体的材料密度、纤维拉伸强度、缠绕角和极孔半径,并给出算例。计算表明,比强度是影响纤维壳体质量的最重要因素。

复合材料缠绕壳体结构成型和使用过程多场分析的研究进展

综述了复合材料缠绕壳体结构成型和使用过程的多场分析的国内外近代研究进展,其中包括:缠绕成型工艺,固化工艺,超压工艺,使用过程中的应力分析,低速冲击损伤等相关问题．在此基础上,着重介绍了倍受航天界所关注的含薄壁金属内衬的复合材料缠绕容器的成型工艺和低速冲击损伤一体化研究工作,并提出了该领域今后还需进一步研究的内容．

卫星用复合材料气瓶性能

通过对环氧树脂、NOL环力学性能、金属内衬表面性能、复合材料真空质损和复合材料气瓶性能等进行研究和分析,研制出一种用于卫星推进系统的复合材料气瓶。结果表明:该复合材料气瓶经150次疲劳试验后爆破压强为86 MPa,容器特征系数达57.7 km,且满足真空使用环境要求。

国内外复合材料气瓶发展概况与标准分析(一)

复合材料气瓶在航天、航空和民用领域都有着广泛的应用,对复合材料气瓶的研制进展和典型应用进行了简要介绍,并分析了复合材料气瓶及其成型工艺的发展趋势,综述了航天、航空和民用领域复合材料气瓶标准的发展概况,并针对我国复合气瓶标准制定面临的问题进行了分析。

凯夫拉纤维增强弧形体挠性接管平衡性研究

采用网格分析理论,研究纤维缠绕直挠性接管加压膨胀成形的弧形管的纤维缠绕角;根据弹性薄壳无矩理论,建立弧形管的平衡方程,提出弧形管的平衡角的计算方法;分析弧形管的平衡性,并进行有限元计算。结果表明,存在合适的直管缠绕角度,使得弧形管受压下轴向伸缩量足够小,满足平衡性要求。研究结果为弧形体挠性接管设计与施工中的参数选取提供理论依据。

基于傅里叶级数的缠绕复合材料刚度预测方法

采用傅里叶级数有关理论,根据缠绕复合材料内部细观结构的特点,建立了缠绕复合材料刚度预测模型。该模型将缠绕复合材料特征单元的刚度作为一个刚度场,利用二维傅里叶级数展开得到描述该刚度场的函数。算例的结果表明,本文中所建立的模型可以预测缠绕复合材料整体刚度特性,同时通过傅里叶级数各阶展开项的叠加可以反映材料内部细观结构对缠绕复合材料刚度特性的影响。

碳纤维缠绕铝内胆气瓶的有限元分析与自紧设计

碳纤维缠绕锅内胆气瓶应用广泛,由于贮气压力高,安全性特别重要。铝内胆外表缠绕碳纤维的气瓶的重量比金属气瓶轻很多,已从航天航空应用转向民用。这种气瓶的设计和制造,在我国,国家标准还没有公布,在国际上较多采用DOT CFFC标准。本文对气瓶进行深入的有限元分析,参考DOT CFFC标准来讨论气瓶的设计和自紧。如采用其他标准,做法是一样的。本文有限元分析采用ANSYS程序。

缠绕复合材料力学特性研究进展

本文根据近年来有关缠绕复合材料力学特性研究的文献,回顾并总结了关于缠绕复合材料力学特性的研究成果和取得的进展,包括缠绕复合材料的应力-应变特性、损伤特性、结构破坏形式、刚度及强度预测等方面的实验和理论研究。本文总结了已开展的研究中存在的一些不足,并对今后的工作进行了展望。

平面缠绕炭纤维压力容器大变形有限元分析

根据纤维缠绕复合材料压力容器的结构和工艺特点,用ANSYS有限元软件建立了2种封头形式的复合材料压力容器计算模型,模型包括封头上纤维缠绕角和缠绕厚度的变化,并对内压作用下结构的应变分布进行了静力学非线性计算。由于在内压作用下压力容器会产生较大的位移,因此在计算时考虑了大变形的影响。结果表明,在内压作用下,圆筒段的纤维受到拉伸作用,椭球型封头的部分区域出现了弯曲,纤维受到了挤压,而平衡型封头上应力变化平缓,结构整体向外膨胀。比较发现,计算结果和试验结果吻合较好,所建立的有限元模型和计算方法能较好模拟压力容器的真实受力情况。

纤维缠绕复合材料气瓶研究进展

纤维缠绕复合材料气瓶具有高比强度和比模量、抗疲劳、抗腐蚀等优点,已经成为研究的焦点.文中分析了纤维缠绕复合材料气瓶在国内外的研究进展,并进行了归纳总结,主要内容包括:纤维缠绕复合材料气瓶的国内外标准、制造过程中应考虑的主要因素、失效准则、失效模式以及优化设计.通过对比发现,Tsai-Wu失效准则预测的失效压力与实验值最接近.提出了一些预防复合材料气瓶失效的措施,对气瓶的安全使用有一定的借鉴作用.最后指出了未来研究的重点.

纤维缠绕环形压力容器复合材料结构设计

本文在环形容器复合材料缠绕原理的基础上,从环形容器工作下的受力状态分析入手,推导出环形容器的受力方程;根据环形容器双螺旋缠绕测地线方程,结合相关工艺参数,进行复合材料结构铺层设计,确定出优化缠绕线型的切点数。根据该理论,通过编写VB程序,实现纤维缠绕环形容器复合材料纤维层的计算机参数化设计。

车用压缩天然气全缠绕复合材料气瓶强度试验及数值模拟

对压缩天然气燃料汽车气瓶进行水压试验,考核其承压部件的强度,同时进行爆破试验,以确定其最小爆破压力和爆破部位.考虑了复合材料各向异性以及气瓶封头处纤维缠绕厚度变化的特点,采用有限元分析软件对车用压缩天然气全缠绕铝内衬复合气瓶在预紧压力、0压力、工作压力、水压试验压力和最小爆破压力作用下的应力分布情况对比国外相应标准进行了分析和研究,预测出该气瓶的实际爆破压力.结果证明,有限元分析的结果与实际情况吻合得较好.

纤维螺旋缠绕管的缠绕角优化

为提高材料强度的利用效率,实现纤维缠绕管强度比沿壁厚的均匀分布,在内压和轴向力作用下,基于Tsai-Wu准则,以沿壁厚方向的最小强度比最大化为目标,建立变缠绕角纤维缠绕管的最优化模型。提出将复合形法和梯度法相结合的改进优化算法,通过优化逐层变化的缠绕角使最小强度比最大化,实现强度比沿壁厚更均匀分布。以玻璃纤维管为例,在纯环向应力、环向应力与轴向应力之比为2∶1和1∶1的3种工况下,研究不同壁厚条件下最优缠绕角分布及其强度比提升效果和均匀程度。结果表明:优化后结构的材料利用率明显提升,不同工况、壁厚对最优缠绕角的分布规律影响很大;最优缠绕角可以实现沿壁厚等强度。