複合材料壓力容器的多自由度非測地線纏繞模式研究

《複合材料壓力容器的多自由度非測地線纏繞模式研究》是依託武漢理工大學，由祖磊擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：複合材料壓力容器的多自由度非測地線纏繞模式研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：祖磊
• 依託單位：武漢理工大學

項目摘要

纖維纏繞工藝主要依賴自由度較少的測地線、半測地線和平面纏繞，導致其無法兼顧工藝可實現性與成型結構的力學性能，是目前難以有效提高複合材料壓力容器結構性能的重要原因。解決這一問題的關鍵在於探索新穎的纏繞模式，使其具備更多的線型自由度，既能滿足纏繞工藝的可實現性，又能充分發揮結構鋪層的力學性能。因此，本課題擬研究滑移係數隨纖維鋪設路徑可調的多自由度非測地線纏繞模式，探索複合材料壓力容器的多自由度非測地線最優纏繞規律，建立多自由度非測地線的數學、力學模型以及線型模式的最優設計模型，系統提出綜合線型、結構、工藝的一體化設計理論和方案，揭示滑移係數分布規律對纖維纏繞線型及成型容器結構性能的影響機理，並將通過仿真和實驗驗證所提出模型與設計方法的可行性和有效性，同時評估多自由度非測地線模式相比傳統纏繞模式的優越性。該項目將探索新的纖維纏繞模式，對顯著提高複合材料壓力容器結構性能具有重要科學意義和套用價值。

結題摘要

為創新纖維纏繞線型模式，顯著提高複合材料壓力容器結構性能，我們在本項目中採用滑移係數沿纖維鋪設路徑可變的多自由度非測地線模式，對複合材料壓力容器的非測地線纏繞規律和機理進行研究。 我們系統研究了多自由度非測地線的數學原理與模型，建立了多自由度非測地線的切點分布模型與線型分布模型，推導了切點分布方程與標準線型表達式，並以線型均勻度和布滿度來檢驗線型模式的正確性。建立了多自由度非測地線在芯模曲面上的穩定纏繞模型和厚度分布模型，以纖維在芯模表面的架空度、滑移度、間隙度和重疊度來評估多自由度非測地線纏繞模式的可行性與有效性。 我們研究了多自由度非測地線的力學模型，建立了基於各向異性彈性理論的多層厚壁壓力容器的有限元分析模型，分析殼體應力及變形分布。採用疊層結構的增量本構關係，模擬纏繞殼體的損傷過程，建立合理的剛度衰退模型，準確模擬損傷累積過程，預測壓力容器的爆破壓強和失效位置。 我們研究了多自由度非測地線的最佳化設計方法，闡明了滑移係數分布規律對線型模式及成型容器結構性能的影響機理。根據纏繞工藝可行性和各向異性鋪層的結構性能要求，建立了滑移係數分布規律的最佳化設計模型，獲得滑移係數沿纖維鋪設路徑的最佳分布，提出了針對多自由度非測地線纏繞線型及鋪層參數的最佳化設計方法與實現方案。通過仿真與實驗驗證了所提出設計方法與模型的可行性和有效性，證明了多自由度非測地線纏繞模式的優越性。 本項目執行三年來，共完成學術論文22篇，其中SCI檢索10篇，EI檢索13篇，申請發明專利1項，參加高水平學術會議5次，完成了計畫書的主要內容。本項目所取得成果均屬於課題成員的原創性研究，具有很強的前沿性和普適性，能夠解決目前制約複合材料壓力容器結構性能提高的瓶頸問題，在顯著提高複合材料壓力容器結構性能上進行了積極有益的嘗試。研究成果預計將對我國航空航天、交通運輸、石油化工等領域均有著非常重要的套用基礎研究意義。