纤维缠绕复合材料构件CAD/CAM技术及其应用的研究

摘要

在阅读和分析了大量文献的基础上,本文首先对纤维缠绕的数学模型进行了研究.纤维缠绕的数学模型包括两方面:稳定的缠绕线型和光顺的机器路径.本文通过对曲面上纤维的力学分析,建立了纤维的非测地线方程和纤维在曲面上不架空的条件.并针对组合回转体构件,推导了其凹曲面过渡段的稳定不架空条件,通过对几种过渡曲面的缠绕工艺性分析得出了凹曲面过渡段的优选曲面形式.为了使纤维既不重叠又不离缝的布满整个芯模表面,文中给出了轴对称芯模的纤维缠绕代数模式.最后根据纤维缠绕线型和缠绕机的运动特点,建立了六轴缠绕机的运动方程.在纤维缠绕构件结构设计方法的研究上,本文以纤维缠绕内压容器这种典型的纤维缠绕构件作为研究对象,首先采用网络设计法来设计纤维缠绕铺层和厚度,给出了容器爆破压力的预测值和校正公式.针对采用网络设计方法在封头段的局限性,作者利用Ansys二次开发语言开发了纤维缠绕CAD/CAM软件的有限元接口.在有限元分析时,综合考虑了封头段缠绕角、厚度的变化和沿厚度方向缠绕角的变化,较真实的反映了纤维缠绕压力容器的真实状况.有限元分析的结果与实验数据吻合较好.弯管是在管道传输中经常用到的管配件,但由于其非轴对称性,其缠绕路径的设计和机器路径的生成都相当困难.本文利用圆环面上的测地线和圆柱面上的非测地线生成了弯管的缠绕路径,通过在端头加入停留缠绕,给出了弯管缠绕的代数模式.在机器路径生成时,给出了避免碰撞的两种轨迹约束形式和丝嘴的运动方程.通过实验,验证了理论的正确性.三通管的纤维缠绕是国际上公认的难题,现在只有很少数的纤维缠绕商-Ⅰ-业化软件能够对三通管进行缠绕.目前我国对三通管缠绕技术的研究还基本处于空白,作者对三通管的纤维缠绕进行了一些尝试和探索.三通管是由两个垂直柱面和柱面交线附近的过渡曲面构成的,其曲面造型的难点在于如何构造过渡曲面.本文利用圆弧面/平面的组合实现了三通管的光滑过渡,并给出了解析表达式,为三通管的缠绕打下了基础.对于圆柱面,本文利用圆柱面上的测地线和非测地线实现了其缠绕路径的设计.针对圆弧面/平面组合的过渡曲面,特别分析了圆弧面上的测地线和非测地线.同时还给出了主管与支管过渡点处的缠绕角应该满足的条件,设计了从主管到支管的过渡的缠绕路径.最后根据主管和支管缠绕时的特殊性,分别设计了其机器路径.缠绕实验时,实现了不断线对主管和支管的连续缠绕.

目录

文摘

英文文摘

第1章绪论

1.1引言

1.2纤维缠绕技术概述

1.2.1纤维缠绕的概念及分类

1.2.2纤维缠绕工艺的特点及应用范围

1.2.3国内外纤维缠绕技术的发展及现状

1.3纤维缠绕复合材料构件CAD/CAM技术

1.3.1纤维缠绕料构件CAD/CAM一体化的必要性

1.3.2纤维缠绕构件CAD/CAM发展概况

1.4本课题的研究意义和背景

1.4.1本课题的研究意义

1.4.2本课题的研究背景

1.5本文的研究内容

第2章纤维缠绕的数学模型

2.1引言

2.2任意曲面稳定缠绕线型轨迹的数学模型

2.2.1曲面上纤维的受力分析

2.2.2架空的判断

2.2.3稳定缠绕条件的推导

2.3回转体的稳定缠绕轨迹数学模型

2.3.1以滑线系数为变量的非测地线公式

2.3.2架空条件判别式

2.3.3组合回转体凹曲面过渡段的缠绕

2.3.4带凹曲面过渡段的组合回转体缠绕实验

2.4轴对称纤维缠绕的代数模式

2.5纤维缠绕运动方程

2.5.1纤维缠绕机的特点

2.5.2缠绕机各坐标的运动关系

2.5.3六坐标运动方程的推导

2.6本章小结

第3章纤维缠绕内压容器的结构分析

3.1引言

3.2网络分析法

3.2.1纤维缠绕圆筒壁厚的确定

3.2.2考虑封头补强的爆破压力确定

3.3复合材料压力容器的有限元分析

3.3.1纤维缠绕厚度和沿厚度方向缠绕角的变化

3.3.2有限元模型的建立

3.3.3算例分析

3.4本章小结

第4章弯管的缠绕线型及机器路径设计

4.1引言

4.2纤维缠绕路径设计

4.2.1圆环面上的测地线

4.2.2两端头圆柱段的非测地线缠绕

4.3弯管纤维缠绕模式

4.4弯管缠绕的机器路径设计

4.4.1各坐标的运动关系

4.4.2碰撞监测与避免

4.4.3运动轨迹的算法实现

4.5缠绕仿真与实验

4.6本章小结

第5章三通管的缠绕线型及机器路径设计

5.1引言

5.2三通管缠绕芯模的形式

5.2.1两圆柱相贯的T型管芯模

5.2.2中间有球形体的T型管芯模

5.2.3交接处光滑过渡的T型管芯模

5.3缠绕线型的设计

5.3.1三通管圆柱部分纤维稳定缠绕线型

5.3.2三通管过渡曲面部分纤维稳定缠绕线型

5.3.3主管与支管过渡点缠绕角确定

5.4机器路径的生成

5.4.1缠绕主管机器路径的数学模型和算法

5.4.2缠绕支管机器路径的数学模型和算法

5.5软件仿真与缠绕实验

5.5.1软件仿真

5.5.2缠绕实验

5.6本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致谢

个人简历