變纏繞角纖維螺旋纏繞結構的承載能力分析及最優(yōu)化設計.pdf

1、纖維增強復合材料具有質(zhì)量輕、強度高、抗疲勞、耐腐蝕等諸多優(yōu)點，已廣泛應用于航空航天、機械制造、汽車工業(yè)、化工、紡織、醫(yī)學、建筑和體育用品等領域。纖維纏繞增強壓力容器是復合材料的典型應用實例。除有限元方法，纖維增強厚壁筒的結構分析和強度設計尚缺乏簡便準確的分析方法。
　　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，外層的纖維張力對內(nèi)層張力有放松，導致纖維層內(nèi)松外緊，引起強度比沿壁厚非均勻分布。通過設計變化的纏繞角，有望

2、實現(xiàn)沿壁厚方向等強度，以提高容器的承載能力。
　　基于正交各向異性材料本構關系，利用正軸和偏軸坐標系下的應力和應變的坐標變換，導出正軸和偏軸的應力-應變關系。利用對稱均衡鋪設層的應力和變形關系，求解得到三向應力狀態(tài)下的纖維應力公式。退化情況等同于現(xiàn)有二維公式。利用Ho ffman和Tsai-Wu失效準則比較研究二維公式以及本文三維公式對強度比的影響。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，對該解析公式進行對比驗證。對比

3、表明本文公式結果與有限元結果一致。
　　采用正交各向異性本構關系和厚壁筒理論，在外壓和軸向荷載作用下，推導出變纏繞角厚壁筒纖維纏繞層的應力和變形公式。導出纖維方向的縱向應力、橫向應力以及剪切應力解析公式。該公式可退化為各向同性材料，用于夾層管或有內(nèi)膽復合材料管狀結構的結構分析。有限元模型的結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，以結構承載能力最大為目標函數(shù)，建立變纏繞角纖維螺旋纏繞結構的最優(yōu)化模型。進行內(nèi)

4、壓作用下變纏繞角厚壁柱形容器的纏繞角優(yōu)化，實現(xiàn)強度比沿壁厚的更均勻分布。提出將兩種傳統(tǒng)優(yōu)化算法相結合的改進優(yōu)化算法，大大提高了優(yōu)化方法的計算效率。在純環(huán)向應力、環(huán)向應力與軸向應力之比為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)強度比沿壁厚的分布影響很大。縱橫模量差異越大，壁厚越厚，各層強度比相互關聯(lián)性就越顯著，纏繞角優(yōu)化的難度越大。不同壁厚的碳纖