缠绕张力对干法缠绕复合材料结构残余应力及回弹变形的影响

作     者：邓明 曹子荷 王静南 李瑞奇 胡海晓 曹东风 李书欣 DENG Ming;CAO Zihe;WANG Jingnan;LI Ruiqi;HU Haixiao;CAO Dongfeng;LI Shuxin

作者机构：先进能源科学与技术广东省实验室佛山分中心(佛山仙湖实验室)佛山528000 武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室武汉430070 武汉海威船舶与海洋工程科技有限公司武汉430070 武汉理工大学新材料力学理论与应用湖北省重点实验室武汉430070 武汉理工大学先进材料制造装备与技术研究院武汉430070 

出 版 物：《复合材料学报》 (Acta Materiae Compositae Sinica)

年 卷 期：2023年第40卷第12期

页      面：6884-6896页

核心收录：

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

基　　金：国家自然科学基金(52273080) 中央高校基本科研业务费专项资金(WUT2021IVA068,2021Ⅲ015JC) 

主　　题：干法缠绕 缠绕张力 残余应力 回弹变形 数值模型 

摘      要：开展纤维缠绕结构缠绕与固化后残余应力评估是开展缠绕工艺优化设计、实现服役前预应力设计的重要前提。本文采用干法缠绕工艺,基于钢芯模和尼龙6(PA6)芯模分别制备了恒定张力(40 N)、内松外紧(20 N-40 N-60 N)和内紧外松(60 N-40 N-20 N)3种不同张力制度的复合材料缠绕圆筒,通过测试切割过程应变释放量与回弹变形对内部残余应力进行对比分析。借助生死单元法,建立了复合材料圆筒的逐层缠绕过程分析模型,模拟缠绕后残余应力分布;并基于CHILE(Tg)本构模型,开展了复合材料圆筒固化过程模拟,预测固化后残余应力及切割后回弹变形。研究表明:固化应力与缠绕张力均对总残余应力产生贡献,但由于固化过程剩余缠绕张力进一步放松,固化后总残余应力水平低于缠绕残余应力与固化应力之和。固化过程不会改变缠绕张力对最终残余应力分布的影响;缠绕张力对总残余应力的影响程度与芯模材质相关,芯模热变形越大,缠绕张力的影响越弱。当采用相同芯模时,内松外紧(20 N-40 N-60 N)张力制度产生的切割回弹角最小,内紧外松(60 N-40 N-20 N)张力制度产生的回弹角最大;当采用相同张力制度时,PA6芯模制备的缠绕圆筒试样切割后回弹角远大于钢芯模制备试样。