复合材料压力容器的多自由度非测地线缠绕模式研究

The conventional filament winding process is primarily relying on the geodesic, semi-geodesic or planar patterns. However, these winding patterns have fewer degrees of design freedom and cannot simultaneously achieve the manufacturability and the desired mechanical properties. Therefore, these conventionally used patterns significantly confine the structural performance improvement of composite pressure vessels. One of the key solutions to this limitation is the exploration of a novel winding pattern with more degrees of freedom, which is able to fully utilize the laminate strength of the overwrap while satisfying the requirements for the winding process. Accordingly, the objective of this research is to investigate a new non-geodesic pattern based on variable slippage coefficients along the fiber paths, and to obtain the optimal winding parameters of this new pattern. The mathematical model, mechanical model and the optimization model will be established for the designed non-geodesic pattern. The design methods that integrate the winding pattern, the windability and the structural performance, will be systematically outlined. The effects of the slippage coefficient distribution on the non-geodesic pattern and the resulting vessel performance will be revealed. The feasibility and validity of the presented models and methods will be accessed through the simulated and experimental results, and the advantage of using the present non-geodesic pattern will also be clarified. This research will explore the new filament winding pattern, and is of great scientific and application significance for effectively improving the structural performance of composite pressure vessels.

纤维缠绕工艺主要依赖自由度较少的测地线、半测地线和平面缠绕，导致其无法兼顾工艺可实现性与成型结构的力学性能，是目前难以有效提高复合材料压力容器结构性能的重要原因。解决这一问题的关键在于探索新颖的缠绕模式，使其具备更多的线型自由度，既能满足缠绕工艺的可实现性，又能充分发挥结构铺层的力学性能。因此，本课题拟研究滑移系数随纤维铺设路径可调的多自由度非测地线缠绕模式，探索复合材料压力容器的多自由度非测地线最优缠绕规律，建立多自由度非测地线的数学、力学模型以及线型模式的最优设计模型，系统提出综合线型、结构、工艺的一体化设计理论和方案，揭示滑移系数分布规律对纤维缠绕线型及成型容器结构性能的影响机理，并将通过仿真和实验验证所提出模型与设计方法的可行性和有效性，同时评估多自由度非测地线模式相比传统缠绕模式的优越性。该项目将探索新的纤维缠绕模式，对显著提高复合材料压力容器结构性能具有重要科学意义和应用价值。

为创新纤维缠绕线型模式，显著提高复合材料压力容器结构性能，我们在本项目中采用滑移系数沿纤维铺设路径可变的多自由度非测地线模式，对复合材料压力容器的非测地线缠绕规律和机理进行研究。. 我们系统研究了多自由度非测地线的数学原理与模型，建立了多自由度非测地线的切点分布模型与线型分布模型，推导了切点分布方程与标准线型表达式，并以线型均匀度和布满度来检验线型模式的正确性。建立了多自由度非测地线在芯模曲面上的稳定缠绕模型和厚度分布模型，以纤维在芯模表面的架空度、滑移度、间隙度和重叠度来评估多自由度非测地线缠绕模式的可行性与有效性。. 我们研究了多自由度非测地线的力学模型，建立了基于各向异性弹性理论的多层厚壁压力容器的有限元分析模型，分析壳体应力及变形分布。采用叠层结构的增量本构关系，模拟缠绕壳体的损伤过程，建立合理的刚度衰退模型，准确模拟损伤累积过程，预测压力容器的爆破压强和失效位置。. 我们研究了多自由度非测地线的优化设计方法，阐明了滑移系数分布规律对线型模式及成型容器结构性能的影响机理。根据缠绕工艺可行性和各向异性铺层的结构性能要求，建立了滑移系数分布规律的优化设计模型，获得滑移系数沿纤维铺设路径的最佳分布，提出了针对多自由度非测地线缠绕线型及铺层参数的优化设计方法与实现方案。通过仿真与实验验证了所提出设计方法与模型的可行性和有效性，证明了多自由度非测地线缠绕模式的优越性。. 本项目执行三年来，共完成学术论文22篇，其中SCI检索10篇，EI检索13篇，申请发明专利1项，参加高水平学术会议5次，完成了计划书的主要内容。本项目所取得成果均属于课题成员的原创性研究，具有很强的前沿性和普适性，能够解决目前制约复合材料压力容器结构性能提高的瓶颈问题，在显著提高复合材料压力容器结构性能上进行了积极有益的尝试。研究成果预计将对我国航空航天、交通运输、石油化工等领域均有着非常重要的应用基础研究意义。