變纏繞角纖維螺旋纏繞結(jié)構(gòu)的承載能力分析及最優(yōu)化設(shè)計(jì).pdf

1、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、抗疲勞、耐腐蝕等諸多優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于航空航天、機(jī)械制造、汽車工業(yè)、化工、紡織、醫(yī)學(xué)、建筑和體育用品等領(lǐng)域。纖維纏繞增強(qiáng)壓力容器是復(fù)合材料的典型應(yīng)用實(shí)例。除有限元方法，纖維增強(qiáng)厚壁筒的結(jié)構(gòu)分析和強(qiáng)度設(shè)計(jì)尚缺乏簡便準(zhǔn)確的分析方法。
　　纖維纏繞壓力容器主要由芯模和纏繞層組成。在外層纏繞纖維時(shí)，外層的纖維張力對內(nèi)層張力有放松，導(dǎo)致纖維層內(nèi)松外緊，引起強(qiáng)度比沿壁厚非均勻分布。通過設(shè)計(jì)變化的纏繞角，有望

2、實(shí)現(xiàn)沿壁厚方向等強(qiáng)度，以提高容器的承載能力。
　　基于正交各向異性材料本構(gòu)關(guān)系，利用正軸和偏軸坐標(biāo)系下的應(yīng)力和應(yīng)變的坐標(biāo)變換，導(dǎo)出正軸和偏軸的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。利用對稱均衡鋪設(shè)層的應(yīng)力和變形關(guān)系，求解得到三向應(yīng)力狀態(tài)下的纖維應(yīng)力公式。退化情況等同于現(xiàn)有二維公式。利用Ho ffman和Tsai-Wu失效準(zhǔn)則比較研究二維公式以及本文三維公式對強(qiáng)度比的影響。建立碳纖維纏繞鋁內(nèi)膽容器在內(nèi)外壓作用下的有限元模型，對該解析公式進(jìn)行對比驗(yàn)證。對比

3、表明本文公式結(jié)果與有限元結(jié)果一致。
　　采用正交各向異性本構(gòu)關(guān)系和厚壁筒理論，在外壓和軸向荷載作用下，推導(dǎo)出變纏繞角厚壁筒纖維纏繞層的應(yīng)力和變形公式。導(dǎo)出纖維方向的縱向應(yīng)力、橫向應(yīng)力以及剪切應(yīng)力解析公式。該公式可退化為各向同性材料，用于夾層管或有內(nèi)膽復(fù)合材料管狀結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析。有限元模型的結(jié)果與理論公式吻合很好。
　　以各層的螺旋纏繞角為優(yōu)化變量，以結(jié)構(gòu)承載能力最大為目標(biāo)函數(shù)，建立變纏繞角纖維螺旋纏繞結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化模型。進(jìn)行內(nèi)

4、壓作用下變纏繞角厚壁柱形容器的纏繞角優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度比沿壁厚的更均勻分布。提出將兩種傳統(tǒng)優(yōu)化算法相結(jié)合的改進(jìn)優(yōu)化算法，大大提高了優(yōu)化方法的計(jì)算效率。在純環(huán)向應(yīng)力、環(huán)向應(yīng)力與軸向應(yīng)力之比為2∶1和1∶1三種工況下，研究不同壁厚條件下最優(yōu)纏繞角分布及其強(qiáng)度比提升效果和均勻程度。研究表明:纏繞材料的各向彈性模量差異大小對最優(yōu)強(qiáng)度比沿壁厚的分布影響很大?？v橫模量差異越大，壁厚越厚，各層強(qiáng)度比相互關(guān)聯(lián)性就越顯著，纏繞角優(yōu)化的難度越大。不同壁厚的碳纖