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缠绕成型复合材料制品力学性能测试方法研究

当代化工研究 2023年第10期 12-14页

作者：张瑾中国石油化工股份有限公司胜利油田分公司技术检测中心山东257000

纤维缠绕成型复合材料由于其加工的特点,进行力学测试时存在不同的测试方法。为选择一种更为精确并且简便易行的测试方法,本文综述了缠绕成型纤维增强复合材料制品的几种常见力学性能测试方法及相应标准,结合相关理论对纤维缠绕复合材... 详细信息

纤维缠绕成型复合材料由于其加工的特点,进行力学测试时存在不同的测试方法。为选择一种更为精确并且简便易行的测试方法,本文综述了缠绕成型纤维增强复合材料制品的几种常见力学性能测试方法及相应标准,结合相关理论对纤维缠绕复合材料力学性能测试的各种方法进行分析,确定了通过NOL环测试缠绕成型制品的方法。

关键词：缠绕成型力学测试爆破 NOL环

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绝热层自动缠绕成型关键技术研究

复合材料科学与工程 2023年第10期 109-114页

作者：张伟超侯增选严文聪徐铭浩王浩东李彦良大连理工大学机械工程学院大连116024 西安航天复合材料研究所西安710025

本文介绍了国内外固体火箭发动机绝热层缠绕成型技术的研究现状,提出了绝热层缠绕成型工艺方案和设备方案,重点研究了绝热层缠绕成型关键技术。根据绝热层缠绕成型压力控制要求和特点,提出了绝热层缠绕压力控制方法;分析了绝热层缠绕成... 详细信息

本文介绍了国内外固体火箭发动机绝热层缠绕成型技术的研究现状,提出了绝热层缠绕成型工艺方案和设备方案,重点研究了绝热层缠绕成型关键技术。根据绝热层缠绕成型压力控制要求和特点,提出了绝热层缠绕压力控制方法;分析了绝热层缠绕成型胶带跑偏原因,提出了缠绕胶带纠偏方法;设计了一种椭圆凹面压辊,保证胶带边缘粘接质量,避免胶带边缘产生翘边;利用圆柱面压辊与最小型号芯模半径参数,提出了一种绝热层缠绕通用胶带宽度计算方法;分析了绝热层缠绕成型胶带速度及张力控制要求和特点,提出了缠绕胶带速度和张力控制方法。开发、建立绝热层缠绕成型工艺仿真演示示范线,为绝热层缠绕成型设备研制提供支撑。

关键词：绝热层缠绕成型压力控制纠偏椭圆凹面压辊复合材料

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变曲率芯模绝热层缠绕成型轨迹规划与编程

复合材料科学与工程 2023年第5期 114-119页

作者：徐铭浩侯增选严文聪张伟超王浩东罗洋洋大连理工大学机械工程学院大连116024 西安航天复合材料研究所西安710025

本文根据固体火箭发动机绝热层缠绕成型要求,分析了变曲率芯模几何特征及绝热层缠绕成型特点,研究了变曲率芯模缠绕角计算方法和基于测地线的带隙自适应控制方法,控制缠绕方向以保证缠绕轨迹满足带隙要求。分析了绝热层缠绕胶带撕裂、... 详细信息

本文根据固体火箭发动机绝热层缠绕成型要求,分析了变曲率芯模几何特征及绝热层缠绕成型特点,研究了变曲率芯模缠绕角计算方法和基于测地线的带隙自适应控制方法,控制缠绕方向以保证缠绕轨迹满足带隙要求。分析了绝热层缠绕胶带撕裂、褶皱形成原因,建立了胶带撕裂、褶皱判定条件。研究了绝热层与椭圆凹面压辊接触区域应力分布规律,基于Winkler模型提出了缠绕压力控制方法。基于上述方法及测地线算法实现了变曲率芯模绝热层缠绕成型轨迹规划。最后,通过绝热层缠绕成型仿真,对算法可行性进行了验证。结果表明,按照本文方法获得的缠绕轨迹切实可行,能够满足变曲率芯模绝热层自动缠绕成型要求。

关键词：绝热层缠绕成型轨迹规划变曲率测地线复合材料

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变曲率芯模绝热层缠绕成型轨迹规划及仿真

变曲率芯模绝热层缠绕成型轨迹规划及仿真

作者：徐铭浩大连理工大学

学位级别：硕士

固体火箭发动机绝热层是介于发动机壳体与固体推进剂之间的一层隔热、耐烧蚀材料,主要作用是保证发动机壳体在高温高压燃气作用下正常工作。相较于传统的手工贴片法,缠绕成型工艺劳动强度低、成型效率高、成型质量稳定,是一种更为先进... 详细信息

固体火箭发动机绝热层是介于发动机壳体与固体推进剂之间的一层隔热、耐烧蚀材料,主要作用是保证发动机壳体在高温高压燃气作用下正常工作。相较于传统的手工贴片法,缠绕成型工艺劳动强度低、成型效率高、成型质量稳定,是一种更为先进的绝热层成型工艺。缠绕成型过程中,压辊按照预先规划的轨迹将胶带缠绕在芯模表面,缠绕轨迹可行与否直接影响绝热层的成型质量,因此缠绕轨迹规划是缠绕成型工艺中的关键技术。本文针对变曲率芯模绝热层缠绕成型轨迹规划展开研究,主要研究内容如下:(1)根据固体火箭发动机变曲率芯模外形特点及绝热层缠绕成型要求,设计了绝热层缠绕成型工艺方案及自动化缠绕设备方案;(2)研究了变曲率芯模表面的测地线缠绕方法,分析了该方法在变曲率回转面上难以保证带隙恒定的原因,根据绝热层缠绕成型特点,研究了变曲率芯模缠绕角计算方法和基于测地线的带隙自适应控制方法,控制缠绕方向以保证缠绕轨迹满足带隙要求;(3)研究了绝热层与椭圆凹面压辊接触区域应力分布规律,基于Winkler模型提出了缠绕压力控制方法,满足粘接质量要求;(4)分析了绝热层缠绕胶带撕裂、褶皱形成原因,建立了胶带撕裂、褶皱判定条件。基于以上研究,实现了适用于变曲率芯模的缠绕成型轨迹规划;(5)研究了绝热层缠绕成型仿真技术。提出了基于三角网格法的绝热层、胶带建模方法,建立了缠绕过程中压辊、芯模的运动学模型,通过布尔运算实现压辊、芯模间碰撞检测,基于ACIS、Open Inventor实现缠绕成型仿真,验证缠绕轨迹的可行性;本文最后开发了绝热层缠绕成型轨迹规划与仿真系统,针对固体火箭发动机绝热层缠绕成型要求,完成了多个型号变曲率芯模的绝热层缠绕成型轨迹规划,通过缠绕仿真验证了缠绕轨迹的可行性,并基于逆运动学生成缠绕设备各轴驱动数据。结果表明按照本文方法获得的缠绕轨迹能满足绝热层成型质量要求。

关键词：绝热层缠绕成型变曲率轨迹规划仿真演示

碳纤维复合材料储氢容器缠绕成型工艺及强度分析研究

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碳纤维复合材料储氢容器缠绕成型工艺及强度分析研究

作者：秦泽林太原理工大学

学位级别：硕士

氢能源作为二次可再生清洁能源,被认为是交通运输等多领域应用的终极能源。而在氢能应用产业链中,高压气态压缩储氢方式的便捷、高效特点对储氢容器的低成本生产技术的升级与应用的多样化发展提出了更高的要求。储氢容器整体成型过程中... 详细信息

氢能源作为二次可再生清洁能源,被认为是交通运输等多领域应用的终极能源。而在氢能应用产业链中,高压气态压缩储氢方式的便捷、高效特点对储氢容器的低成本生产技术的升级与应用的多样化发展提出了更高的要求。储氢容器整体成型过程中,缠绕成型工艺是关乎容器力学性能的关键,当中结合实际缠绕因素的缠绕方式、缠绕层应力水平状态、失效方式等均为重点关注方向。本文以35 MPaⅢ型复合材料储氢容器为研究对象,对缠绕成型工艺展开研究与分析:(1)以碳纤维复合材料正交各向异性特点对其本构关系进行了总结,并结合薄膜理论与容器封头段、筒身段网格理论对不同纤维缠绕层角度与厚度及变化规律进行了分析,为容器的有限元分析与缠绕设计试验提供理论基础。(2)完成了TZ700S-12K碳纤维与4251A4/B2环氧树脂的选型,通过以NOL(Naval Ordnance Laboratory)环与单向板标准缠绕结构件的形式,参考测试标准对碳纤维复合材料的力学性能强度参数进行了测试,结果得到,NOL环最大拉伸强度为2260 MPa。根据强度参数数据对特定内衬下设计的缠绕铺层方案进行了实际缠绕实验,并对容器整体成型中内衬成型、缠绕成型与固化成型展开了详细介绍。(3)通过采用三次样条厚度预测方法,结合封头段与筒身段网格理论,分别对容器的环向与螺旋缠绕层的厚度、角度进行了设计;基于设计的缠绕层角度,对螺旋缠绕角度11°、15°与环向缠绕90°的缠绕过渡线型进行了设计;通过实际缠绕实验验证,结果得出,封头预测厚度准确且设计线型以及过渡线型合理且稳定缠绕。其次采用WCM(Wound Composite Modeler)精细化建模方法通过仿真模拟分析了复合材料缠绕层在工作压力下与最小设计爆破压力下的纤维方向应力水平,且通过最大应力准则与末层失效方式对铺层交替缠绕方式的容器爆破压力进行了预测,研究表明,容器预测爆破压力为98.8 MPa,实际水压爆破压力达到104.4 MPa,误差为5.6%;通过仿真与实验结合对比的方式,验证了本文所设计容器的合理性。(4)通过仿真与水压爆破试验结合对比,研究了不同铺层顺序对容器爆破压力的影响。将不同铺层顺序以循环交替厚度增加的过渡方式分为环向与螺旋缠绕层交替缠绕、分离缠绕的方式,其中交替缠绕方式中对螺旋缠绕角度的大小顺序考虑更多。通过对最小设计爆破压力下,不同缠绕层层间、螺旋缠绕层封头段与过渡段处的纤维方向应力进行分析,研究表明:环向缠绕层层间的纤维方向最大应力差值因铺层顺序变化带来的影响较小;对于螺旋缠绕层层间在封头段的应力差值,交替缠绕方案中,循环交替厚度为0.8 mm的(B)方案与循环交替厚度为0.4 mm的(A)方案相比最大下降54.3%。通过比较交替缠绕与分离缠绕方案中螺旋角度顺序的变化影响,螺旋角度从小到大与从大到小均可降低层间应力差值进而提高封头段强度;但其综合影响需考虑循环交替厚度的变化,即在本文初始为环向层且层数较多情况下,这将在过渡段处产生弯曲载荷造成容器在过渡段位置的初始失效。

关键词：复合材料储氢容器缠绕成型渐进损伤纤维方向应力爆破压力

缠绕成型碳纤维混杂增强复合材料薄壁筒的碰撞吸能特征

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缠绕成型碳纤维混杂增强复合材料薄壁筒的碰撞吸能特征

作者：许晶东华大学

学位级别：硕士

自从机动车类交通工具产生及发展以来,使用者对汽车安全问题一直甚为关心,同时汽车安全问题一直困扰着相关的行业。国家统计局的数据显示,近十年来民用汽车的拥有量保持大幅度的增长趋势。由于我国交通道路情况的不断改善、交通监管及... 详细信息

自从机动车类交通工具产生及发展以来,使用者对汽车安全问题一直甚为关心,同时汽车安全问题一直困扰着相关的行业。国家统计局的数据显示,近十年来民用汽车的拥有量保持大幅度的增长趋势。由于我国交通道路情况的不断改善、交通监管及交通知识普及的力度增大,交通事故的发生数呈现下降趋势,但始终维持在20万起以上。针对汽车的被动安全性,汽车工业做出了很多努力,目前整车结构对于交通事故中人员的损伤具有一定的防护能力。但专家学者不止于此,为汽车工业的进一步发展不断思考及创新。近年来,空气污染成为困扰我国居民的严重危害,环境问题日益突出,基数巨大的马路空气污染制造者——机动车造成的环境问题也日益引发全球的关注。如何在不降低汽车使用性能的前提下,减少发动装置排放的有害气体含量成为引领汽车领域的一个全新的课题。随之而提出的汽车轻量化概念为汽车行业提供了现实的解决方案。新材料行业的不断发展为汽车轻量化提供了强有力的支持。“以塑代钢”即用塑料代替钢材的使用,因为纤维增强复合材料具有高强、高模及质轻等特点,正在逐渐取代合金和木材,用于航天、汽车、建筑、健身器材等领域。纤维增强复合材料的成型工艺很大程度上决定了其性能及其产品的使用条件,本实验选取的成型的工艺为缠绕成型。其具有制造成本低,制品质量高度可重复等优点。所用增强材料为无捻粗纱材料,无须纺织,减少了工序,降低了成本。用于汽车的能量吸收管件的能量吸收性能的主要测试方法有准静态压缩试验和动态冲击试验,压缩破坏过程中,复合材料通过分层、开裂和纤维的断裂吸收能量。为了获得高能量吸收性能的材料,往往期望管件以渐进稳定的破坏形式破坏。本实验选取碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维及环氧树脂为原料,在缠绕成型中统一制作成三层结构的管件。中间层纤维取向接近90°,起到轴向力的主要承担作用。最外层和最内层纤维取向接近于0°,主要起到束缚控制中间层裂纹产生及扩展的作用。基于前人的研究,设计了五种结构的几何形状为圆形复合材料管件。由于能量吸收部件安装部位靠近发动机,本实验对各试样进行了温度处理（100℃下处理200h）。约50mm高的试样一端保持水平,另一端打磨出45°的倒角,水平端放置于压缩试验台上进行压缩试验。压缩试验包括准静态压缩试验及动态冲击试验。破坏后的试样通过树脂包埋固定形态,切割打磨后观察且截面形态,辅助分析其破坏机制。实验结果表明,相同试样在准静态压缩中表现出较高的能量吸收值,该实验管件属于速度敏感型,表现为在准静态压缩与动态冲击状态下表现出不同的能量吸收特征。未经温度处理试样实验结果显示碳纤维增强管件的能量吸收性能优于玻璃纤维增强管件及碳/芳纶纤维增强管件。而碳/芳纶增强管件在经过温度处理后,能量吸收性能得到提升。在五种类型的纤维增强复合材料管件中,经过温度处理的A/C1.6’复合材料管件（芳纶纤维/碳纤维/芳纶纤维:0.15mm（88°）/1.66mm（10°）/0.83mm（88°））表现出最为优异的能量吸收性能（Es值最高）:在准静态压缩试验中为98 kJ/kg,在落塔冲击试验中为82 kJ/kg。根据微观截面图片,分析得到碳/芳纶纤维增强管件在经过温度处理后中央裂纹较未经温度处理的试样短,叶片的曲率也较大。所有的试样表现为开花破坏模式。

关键词：轻量化缠绕成型纤维增强复合材料压缩试验能量吸收性能

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绝热层缠绕成型运动分析及缠绕速度控制

绝热层缠绕成型运动分析及缠绕速度控制

作者：廉继杰大连理工大学

学位级别：硕士

固体火箭发动机壳体内绝热层是发动机壳体和推进剂药柱之间的一层隔热、耐烧蚀材料,在固体火箭发动机工作中起着重要的作用。绝热层的成型方法主要有人工贴片法和缠绕成型法。缠绕成型法是使用自动化缠绕设备将具有一定宽度的橡胶带按... 详细信息

固体火箭发动机壳体内绝热层是发动机壳体和推进剂药柱之间的一层隔热、耐烧蚀材料,在固体火箭发动机工作中起着重要的作用。绝热层的成型方法主要有人工贴片法和缠绕成型法。缠绕成型法是使用自动化缠绕设备将具有一定宽度的橡胶带按照所规划的路径缠绕至芯模表面的一种成型方法,相较于人工贴片法,缠绕成型法自动化程度、效率高,且成型质量稳定,是一种更为先进的成型方法。本文针对绝热层缠绕成型运动及缠绕速度控制展开分析研究,并开发绝热层缠绕成型过程动态仿真演示系统。主要研究内容如下:(1)根据固体火箭发动机芯模外形特征和缠绕成型要求,在原有的人工贴片工艺基础上设计了绝热层缠绕成型工艺方案以及自动化缠绕设备方案。(2)对绝热层缠绕成型运动学展开分析。建立缠绕成型设备D-H连杆坐标系,分析计算了缠绕设备的位姿变换、运动学逆解和缠绕速度,并分析输带速度与缠绕速度关系,提出输带控制要求。(3)提出了绝热层缠绕成型输带控制方法。根据输带系统的动力学模型,建立输带速度、输带张力、收带电机、放带电机的数学模型,设计模糊自适应PID控制算法,并应用于输带速度与输带张力控制中,在Matlab/Simulink中建立仿真模型,与常规PID控制对比,结果表明:模糊自适应PID控制下的带速与张力超调量小,响应快,明显优于常规PID控制,能够满足绝热层缠绕成型要求。(4)开发了绝热层橡胶带缠绕成型过程动态仿真演示系统平台,建立虚拟缠绕成型环境,直观地模拟出绝热层缠绕成型过程,验证了缠绕成型工艺与设备方案的可行性,为绝热层缠绕成型设备研制提供理论和技术支撑。

关键词：缠绕成型运动学分析缠绕速度缠绕张力动态仿真

酚醛热防护材料缠绕成型过程基体流动行为研究

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酚醛热防护材料缠绕成型过程基体流动行为研究

作者：杨时新内蒙古工业大学

学位级别：硕士

酚醛热防护材料具有耐烧蚀、高强度以及防热的特性,被广泛应用于航空、航天等领域的热防护系统中。成型制造实现了酚醛热防护材料从原料到制品的转变,是酚醛热防护材料实现应用的先决条件。为了提高生产效率以及改善制品的力学性能,酚... 详细信息

酚醛热防护材料具有耐烧蚀、高强度以及防热的特性,被广泛应用于航空、航天等领域的热防护系统中。成型制造实现了酚醛热防护材料从原料到制品的转变,是酚醛热防护材料实现应用的先决条件。为了提高生产效率以及改善制品的力学性能,酚醛热防护材料被制成预浸带,利用缠绕成型工艺,将预浸带制成满足设计要求的缠绕品。受缠绕工艺参数的作用影响,酚醛树脂的黏度会发生变化并产生流动行为,树脂的流动导致缠绕制品内树脂含量和分布发生改变,影响制品的纤维体积含量以及层间力学性能。论文从工艺参数对酚醛热防护材料树脂基体流动行为的影响,工艺参数作用下基体流动对制品纤维体积分数和层间力学性能的影响机制方面进行了研究,研究内容主要包括以下几点:第一,根据预浸带的平行缠绕、平叠缠绕以及斜缠绕工艺的特点,设计了适应三种缠绕工艺的缠绕设备,利用缠绕设备进行了圆筒成型与斜缠绕实验,获得了质量较好的缠绕件,证明了设计的缠绕设备满足缠绕工艺要求。第二,对酚醛热防护材料在缠绕成型过程的热传导进行了分析,建立了预浸带在缠绕过程以及缠绕层在固化过程的传热模型。根据酚醛树脂的黏温特性,分析了升温速率对树脂固化度、固化时间对树脂黏度的影响。以Maxwell模型为基础,分析了树脂受压后的变化过程,获得了温度变化速率、压力与树脂流动变化之间的关系。第三,基于工艺参数作用下树脂流动行为,采用与缠绕工艺等效的酚醛热防护材料平板成型工艺,实验研究静态工艺参数对制品纤维体积分数的影响机制,构建了工艺参数与制品纤维体积分数之间的数值模型,并验证了模型的可靠性。第四,基于树脂的流动行为,实验获得工艺参数耦合条件下缠绕制品的层间结合强度,分析了工艺参数耦合对制品层间结合强度的影响。此外,分析了树脂流动行为影响下制品纤维体积分数与层间力学性能之间的关系,制品的纤维体积分数变化趋势与层间结合强度的变化趋势基本一致。对酚醛热防护材料缠绕成型过程基体流动行为的研究,可以为酚醛热防护材料制品的生产工艺参数选择以及过程控制提供理论参考,在提高制品的性能和质量方面具有一定的工程实际应用价值。

关键词：酚醛热防护材料纤维体积分数缠绕成型基体流动力学性能

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复合材料带缠绕成型工艺参数耦合机制及优化

复合材料学报 2015年第3期32卷 831-839页

作者：史耀耀俞涛何晓东康超张晓扬张军西北工业大学现代设计与集成制造技术教育部重点实验室西安710072

基于复合材料缠绕成型工艺过程研究,分别对成型过程中紧密接触与自粘接过程进行理论分析,提出影响复合材料缠绕制品质量的关键工艺参数:缠绕温度、缠绕压力和缠绕张力;以层间剪切强度(ILSS)为优化目标,根据响应面法Box-Behnken Design(B... 详细信息

基于复合材料缠绕成型工艺过程研究,分别对成型过程中紧密接触与自粘接过程进行理论分析,提出影响复合材料缠绕制品质量的关键工艺参数:缠绕温度、缠绕压力和缠绕张力;以层间剪切强度(ILSS)为优化目标,根据响应面法Box-Behnken Design(BBD)原理设计实验,建立工艺参数耦合对剪切强度的回归模型,通过对残差、方差(ANVOA)、预测值与实际值对比等检验分析,验证回归模型的可靠性及有效性,进而获得缠绕成型最优工艺参数。结果表明:在最优工艺参数作用下,层间剪切强度达到22.9 MPa,缠绕制品结合强度最高。

关键词：复合材料缠绕成型工艺参数响应面法参数优化