邢静忠
,
陈利
复合材料学报
研究各向同性材料内胆外对称均衡缠绕纤维的厚壁圆柱形容器在内外压力作用下的应力和强度特性.采用正交各向异性本构关系和轴对称厚壁筒理论,获得纤维层和内胆的应力,以及纤维方向三向应力的解析公式.利用Hoffman和Tsai-Wu失效准则研究薄壁筒理论和三维应力对应的强度随壁厚和缠绕角的分布规律.计算比较了有、无内胆的纤维缠绕容器的强度随缠绕角的变化情况.利用ANSYS软件的层合单元SOLID191建立的模型给出的纤维向应力和强度比与本文理论结果吻合很好.研究发现:基于层合板理论的二维纤维向应力公式给出了不准确的纤维向应力,不准确的横向应力造成容器纤维层的强度值偏低;不同的纤维类型和缠绕角,厚度-半径比对强度比的影响不同;基于二维应力分析的薄壁筒理论给出的纤维层强度比小于三维分析的结果;缠绕角对无内胆的缠绕容器强度比的影响比有内胆的更敏感.
关键词:
纤维缠绕
,
厚壁容器
,
有限元分析
,
失效准则
,
纤维向应力
,
强度比
吴杨
,
邢静忠
,
耿沛
,
杨涛
复合材料学报
doi:10.13801/j.cnki.fhclxb.20140725.001
纤维缠绕厚壁柱形管道或容器在缠绕张力作用下会使缠绕纤维层的应力状态不断变化,形成沿壁厚力学性能非均匀的结构.依据缠绕过程中的纤维束应力状态分析和纤维束本构关系,获得了纤维体积含量与所受应力状态的关系.基于正交各向异性本构关系和双层筒模型的离散叠加法,建立了给定缠绕张力确定纤维缠绕厚壁柱形结构剩余张力的计算方法,并计算了等张力缠绕纤维层的纤维体积含量沿壁厚的分布.利用Tsai-Wu失效准则研究了纤维体积含量非均匀的厚壁柱形结构的纤维层强度.研究表明:缠绕工艺使内层纤维体积含量和强度均略高于外层,纤维缠绕厚壁柱形结构的强度分析和设计时应考虑这种影响;利用变化的缠绕张力设计可以实现强度比沿壁厚的均匀分布.
关键词:
纤维缠绕
,
厚壁容器
,
纤维体积含量
,
纤维层应力
,
失效准则
,
强度比
