弯管纤维缠绕的线型设计及仿真

摘要

复合材料弯管是航空航天器减重节能，化工、石油开采和冶炼，建筑给排水，海洋开发以及食品加工等腐蚀问题突出的行业急需的产品，因此弯管生产的自动化是目前亟待解决的问题。标准的纤维缠绕回转体的线型设计技术已经趋于成熟，而对于弯管这类非回转体的缠绕线型研究仍存在很多难点，因此需要研发新的缠绕技术来对弯管的稳定缠绕路径进行设计与计算。
　　 本文提出一种研究弯管线型的新方法，即设想直管按一定规律形变成弯管，则缠绕在直管上的纤维也按一定规律变化到弯管芯模的表面上，这样，只需知道直管上的纤维缠绕的线型，就可以通过变换关系分析出弯管上的纤维缠绕线型。目前直管的线型设计技术已经非常成熟，采用本文的思想可以简化弯管线型的研究，且因为直管线型数据生成弯管线型数据是数值变换过程，采用该方法可以避免解析法求解线型的局限性。在直管的任何位置都可以进行弯曲变形，继而可以通过变换关系得到弯管的线型，这样大大扩宽可以缠绕的弯管的形状的范围，为各种形状弯管的线型研究提出一个通用的方法。
　　 第一章介绍了纤维缠绕概况，阐述研究弯管纤维缠绕线型的背景及意义。
　　 第二章分析并求解直管的线型方程，按线性段的测地线缠绕和非线性段的非测地线缠绕两部分来求解，为下一章节弯管线型方程的求解做了知识铺垫。
　　 第三章建立了弯管圆环段和圆柱段的数学模型，在柱坐标系下构建弯管和直管线型的对应关系，结合直管的线型方程，得到了弯管的线型方程。分析了弯管上纤维不打滑不架空的条件。为保证在弯管上的凹曲面处纤维不架空，分析了在弯管圆环段缠绕角应满足的条件。在轴对称形体的代数模式设计基础上扩展出了弯管的代数模式设计方法，解决了纤维在弯管上的分布和完全覆盖问题。为避免直管上的纤维经过形变后在弯管外弧出现离缝，对纱片宽应满足的条件进行分析，得到形变后不离缝的弯管纱片宽的值。
　　 第四章用管道纤维缠绕计算机控制系统软件和线型仿真软件对分析结果进行仿真验证。仿真结果验证了利用直管线型通过弯曲变形得到弯管线型这一方法的可行性，且可满足在任意起止位置弯曲的弯管线型的求取。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 本课题研究的背景和意义

1．1．1 弯管纤维缠绕技术的研究背景

1．1．2 弯管纤维缠绕的线型研究的意义

1．2 课题研究的相关技术与发展概况

1．2．1 纤维缠绕技术简介

1．2．2 纤维缠绕技术的发展概况

1．2．3 弯管纤维缠绕线型的设计技术

1．2．4 弯管纤维缠绕技术的发展概况

1．3 本课题研究的主要内容

第2章 管道纤维缠绕的线型

2．1 纤维缠绕的线型规律

2．1．1 环向缠绕的线型规律

2．1．2 螺旋缠绕的线型规律

2．1．3 纵向缠绕的线型规律

2．1．4 缠绕线型规律的实现

2．2 缠绕基本定理

2．2．1 纤维在芯模表面布满的条件

2．2．2 纤维缠绕轨迹稳定的条件

2．3 管道缠绕的线型方程

2．3．1 管身段等缠绕角段的线型方程

2．3．2 管身非线性段缠绕方程

2．4 本章小结

第3章 弯管纤维缠绕的线型设计

3．1 弯管芯模的数学模型

3．1．1 弯管圆环段的数学模型

3．1．2 弯管圆柱段的数学模型

3．2 弯管芯模纤维缠绕的线型方程

3．2．1 弯管圆环面纤维缠绕线型的方程

3．2．2 弯管圆柱面纤维缠绕线型的方程

3．3 弯管线型稳定缠绕的条件探索

3．3．1 弯管上纤维不打滑不架空的条件

3．3．2 缠绕角满足的条件

3．3．3 弯管缠绕的布满分析

3．3．4 纱片宽满足的条件

3．4 本章小结

第4章 弯管缠绕线型的仿真与实例

4．1 管道纤维缠绕计算机设计与控制系统软件简介

4．2 管道线型设计

4．2．1 输入参数说明

4．2．2 输出参数说明

4．3 管道工艺设计

4．3．1 线型参数提示

4．3．2 工艺段编序操作

4．3．3 工艺参数编排操作

4．4 弯管缠绕线型仿真实例

4．4．1 不同弯曲半径下线型的仿真

4．4．2 不同弯曲位置处线型的仿真

4．5 本章小结

第5章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

致谢