补充资料：纤维缠绕复合材料压力容器CAD/CAE/CAM一体化研究

摘要:　本文用ＡＰＤＬ参数设计语言编制的程序可同时进行压力容器缠绕过程的动态仿真模拟及应力分析,可将实际缠绕参数直接用于应力分析,分析后得到的仿真数据可直接用于数控缠绕机进行生产,实现了纤维缠绕复合材料压力容器ＣＡＤ/ＣＡＥ/ＣＡＭ一体化。本文用微分几何理论推导出纤维缠绕复合材料压力容器的非测地线缠绕轨迹、包角方程及绕丝头运动方程。在应力分析过程中考虑了几何非线性和物理非线性。采用叠层的增量本构关系,以分段线性表示单层非线性应力 应变曲线,对损伤后引起的刚度降低进行了实验研究,实验特别研究了面内剪切破坏和层间剪切破坏对纵向弯曲刚度的影响。结果表明纤维缠绕复合材料压力容器损伤后,弯曲刚度的降低是影响轴向变形的重要因素。

    关键词:　压力容器;复合材料;非测地线缠绕;一体化

　　纤维缠绕复合材料压力容器广泛应用于航空、航天等领域。其封头处应力的复杂性要求设计参数与工艺参数必须相符。同时在进行应力分析时,选用的单层宏观强度理论和对已破坏单层的剩余刚度、剩余强度及应力重分布是关键问题。

    文献[10]将单层的剪应力 剪应变的试验数据拟合成曲线并采用单层强度准则,预测了[±θ]ｓ叠层单轴拉伸时的破坏应力;文献[11]采用分段线性的(Ｇ12)ｎ曲线,叠层本构关系以及Ｔｓａｉ Ｈｉｌｌ强度准则研究了[0/±θ]ｓ、[0/±90]ｓ叠层板的破坏;文献[12]将第一破坏单层的基体降级使用,建议用0 4Ｅｍ计算,相当于Ｅ2降至0 56Ｅ2,Ｇ12降至0 44Ｇ12,Ｅ1、γ12保持不变,再计算次一级的后续破坏。

    本文用分段线性的方法,不仅实验研究了横向及面内剪切应力 应变的非线性关系,而且得到了面内及层间剪切损伤后纵向弯曲刚度逐渐递减的实测数据,该数据直接作为应力分析的原始材料参数,并认为弯曲刚度的降低是影响壳体轴向位移的重要因素。文中的应力分析及缠绕过程的动态仿真结果可直接用于数控缠绕机进行生产,达到了结构设计、制造参数化、一体化的目的。

    1　缠绕轨迹

    缠绕轨迹是进行应力分析的基础,同时也是控制数控缠绕机的关键数据。

    (1)测地线方程、芯模转角

    设封头曲面椭球方程为ｒ={ｂｃｏｓｕｃｏｓｖ,ｂｃｏｓｕｓｉｎｖ,ａｓｉｎｕ},其中ａ为短轴,ｂ为长轴,ｕ、ｖ为参量,由《微分几何》知第一类基本量为

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