CN111199125B - 一种纤维湿法缠绕张力的设计方法 - Google Patents

一种纤维湿法缠绕张力的设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种纤维湿法缠绕张力的设计方法，包括下述过程：根据缠绕层建立对应层的纤维层与树脂层有限元模型；基于层间压力与纤维体积含量关系公式建立树脂层径向本构模型；将各层缠绕张力转化为各层纤维层温度载荷；杀死所有缠绕层单元；逐层激活缠绕层单元并施加温度载荷进行有限元分析；施加固化温度载荷进行固化过程有限元分析；冷却后有限元分析；从分析结果中提取参数计算结果，与设计指标对比，从而对缠绕张力进行优化。与现有技术相比，本发明从理论计算角度，考虑纤维湿法缠绕过程中树脂胶液短时渗透所引起的纤维张力释放，相比于传统计算方法，该方法能够更准确得到纤维湿法缠绕的纤维剩余张力、预应力以及纤维体积含量等参数。

Description

一种纤维湿法缠绕张力的设计方法
技术领域
本发明涉及纤维湿法缠绕工艺领域，尤其是涉及一种纤维湿法缠绕张力的设计方法。
背景技术
纤维湿法缠绕成型工艺通过丝嘴带着浸过胶的纤维按照一定运动轨迹将纤维缠绕在旋转的芯模上，然后经过固化、脱模完成复合材料制品。纤维缠绕成型工艺机械自动化程度高、人力劳动强度低、生产成本低、生产环境条件好、可实现复杂铺层工艺，且该成型工艺制成的复合材料纤维体积含量非常高、质量稳定，具备极好的力学性能，因此，该成型工艺被广泛应用于耐腐蚀管道、贮罐、储能飞轮、高速电机转子增强及高压容器的制造。
缠绕张力影响着复合材料制品的纤维体积含量、层间压力及纤维残余应力等，是影响复合材料制品质量的关键因素。传统纤维缠绕张力制度的制定需要通过多次反复试验确定，通过试验方法确定纤维缠绕张力制度不仅成本高、周期长，而且无法得到不同工艺条件下缠绕张力制度与制品纤维体积含量及纤维剩余应力之间较为准确数学关系。相比试验方法，建立有效的缠绕张力与纤维体积含量之间关系的数学模型，通过模型进行理论分析或有限元仿真来实现对不同缠绕张力制度下复合材料制品的纤维体积含量进行预测的方法能够有效的减少试验次数、为缠绕张力制度的优化提供理论依据、降低复合材料制品的研发成本、提高复合材料工程化应用的经济型。
对于复合材料纤维湿法缠绕成型工艺研究中，国内外大多侧重于其纤维与树脂在固化中的应力变化及玻璃纤维缠绕过程中由于芯模受压变形而产生的应力变化研究，而对于纤维(碳纤维)缠绕过程中树脂渗透所引起的缠绕张力变化研究较少。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种纤维湿法缠绕张力的设计方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种纤维湿法缠绕张力的设计方法，包括以下过程：
(1)根据缠绕层建立对应层的纤维层与树脂层有限元模型；
(2)基于层间压力与纤维体积含量关系公式建立树脂层径向本构模型；
(3)将各层缠绕张力转化为各层纤维层温度载荷；
(4)杀死所有缠绕层单元；
(5)逐层激活缠绕层单元并施加温度载荷进行有限元分析；
(6)施加固化温度载荷进行固化过程有限元分析；
(7)冷却后有限元分析；
(8)从计算结果中提取包括纤维湿法缠绕的纤维剩余张力、预应力或纤维体积含量在内的参数计算结果，与设计指标对比，从而对缠绕张力进行优化。
优选地，过程(1)中，层间接触线采用非共线的方式建模，耦合层间接触线的径向位移分量，以避免不同材料间泊松效应对计算结果的影响。
优选地，过程(2)中，包括以下步骤：
(a)将层间压力与纤维体积含量关系公式
Figure BDA0002378652760000021
转化为层间压力与树脂层厚度公式
Figure BDA0002378652760000022
从而得到树脂层径向弹性本构关系，其中，σ为缠绕层层间压力，As为与树脂基体及纤维相关的弹性常数，Va为理想最大纤维体积含量，Vf为纤维体积含量，V0为初始纤维体积含量，tf为纤维当量厚度；ta为Va对应的树脂层当量厚度，tc为Vf对应的树脂层当量厚度，ta为Va对应的树脂层当量厚度；
(b)在有限元中采用Mooney-Rivlin模型简化的5参数或9参数超弹性材料单向本构关系函数拟合树脂胶层的径向弹性本构关系。
优选地：
5参数超弹性材料单元单向本构关系计算公式为：
Figure DA00023786527646560254
9参数超弹性单元单向本构关系计算公式为：
Figure BDA0002378652760000032
其中，σ为缠绕层层间压力，λ为伸长率，Cij为MR模型材料常数。
优选地，过程(3)中，在定义材料热膨胀系数及初始温度场的基础上，通过等应变转换，将缠绕张力大小等效为温差，以此温差为输入载荷，即温度载荷，张力转换公式如下：
Figure BDA0002378652760000033
其中，fc i为温差，Ti为第i层施加的缠绕张力，α为热膨胀系数，Af为纤维截面积，Ef为纤维弹性模量。
优选地，过程(5)中，温度载荷施加于纤维层，树脂层无载荷，未激活层径向位移分量与被激活层最外层耦合，每激活一层同时释放该层径向位移以实现激活层树脂单元的弹性变形分析。
优选地，过程(6)中，在缠绕完成后的计算基础上，对模型中所有单元施加固化温度载荷进行有限元分析。
优选地，过程(7)中，耦合各缠绕层层内径位移分量，以保证缠绕层厚度不再发生改变，对模型中所有单元施加冷却后温度载荷进行有限元分析。
与现有技术相比，本发明克服了现有理论分析的不足，纤维湿法缠绕过程中，由于缠绕张力以及液态树脂粘度的影响，在纤维缠绕在芯模上之后，纤维间液态树脂缓慢向外层迁移，从而导致纤维弹性变形的释放，引起纤维缠绕张力释放，从而难以通过简单的力学分析得到准确的纤维剩余张力结果。通过将树脂渗透过程度对纤维张力释放的影响近似为径向超弹性材料受压变形而引起的纤维缠绕张力释放，该方法将层间压力与纤维体积含量关系公式转化为树脂层超弹性材料径向本构关系进行有限元分析，从而准确地计算出纤维缠剩余张力、预应力以及复合材料纤维体积含量等参数，为缠绕张力设计的优化提供理论依据。
附图说明
图1为本发明实施例的纤维湿法缠绕张力的设计方法的流程示意图；
图2为本发明实施例纤维湿法缠绕金属内胆有限元轴对称平面单元模型；
图3为本发明实施例多参数MR模型(Mooney-Rivlin模型)及树脂渗透模型本构曲线；
图4为本发明实施例纤维缠绕层与金属内胆预应力关系曲线(包含固化后预应力变化)。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
一种纤维湿法缠绕张力的设计方法(流程示意图参见图1)，包括以下过程：
(1)在某铝合金圆筒内衬上缠绕12层碳纤维，通过通用有限元软件ANSYS建立平面轴对称单元模型如图2所示，层间接触线采用非共线的方式建模，耦合层间接触线的径向位移分量，第二层以上缠绕层单元径向位移分量与第一层最外层耦合，以避免不同材料间泊松效应对计算结果的影响。
(2)通过曲线拟合方法确定数值渗透MR模型参数(采用5参数与9参数拟合树脂渗透本构模型曲线如图3所示)，将拟合本构模型参数赋予树脂层单元，包括以下步骤：
(a)将层间压力与纤维体积含量关系公式
Figure BDA0002378652760000041
转化为层间压力与树脂层厚度公式
Figure BDA0002378652760000042
从而得到树脂层径向弹性本构关系，其中，σ为缠绕层层间压力，As为与树脂基体及纤维相关的弹性常数，Va为理想最大纤维体积含量，Vf为纤维体积含量，V0为初始纤维体积含量，tf为纤维当量厚度；ta为Va对应的树脂层当量厚度，tc为Vf对应的树脂层当量厚度，ta为Va对应的树脂层当量厚度；
(b)在有限元中采用Mooney-Rivlin模型简化的5参数或9参数超弹性材料单向本构关系函数拟合树脂胶层的径向弹性本构关系，其中，
5参数超弹性材料单元单向本构关系计算公式为：
Figure BDA0002378652760000051
9参数超弹性单元单向本构关系计算公式为：
Figure BDA0002378652760000052
其中，σ为缠绕层层间压力，λ为伸长率，Cij为MR模型材料常数。
(3)将各层缠绕张力转化为各层纤维层温度载荷，更具体地：
在定义材料热膨胀系数及初始温度场的基础上，通过等应变转换，将缠绕张力大小等效为温差，以此温差为输入载荷，即温度载荷，张力转换公式如下：
Figure BDA0002378652760000053
其中，fc i为温差，Ti为第i层施加的缠绕张力，α为热膨胀系数，Af为纤维截面积，Ef为纤维弹性模量。
(4)杀死所有缠绕层单元。
(5)逐层激活缠绕层单元并施加温度载荷，通过ANSYS软件的功能，进行有限元分析，温度载荷施加于纤维层，树脂层无载荷，未激活层径向位移分量与被激活层最外层耦合，每激活一层同时释放该层径向位移以实现激活层树脂单元的弹性变形分析。
(6)在缠绕完成后的计算基础上，施加固化温度载荷，通过ANSYS软件的功能，进行固化过程有限元分析。
(7)耦合各缠绕层层内径位移分量，以保证缠绕层厚度不再发生改变，对模型中所有单元施加冷却后温度载荷，通过ANSYS软件的功能，进行有限元分析。
(8)在计算结果中提取各层缠绕后及固化后铝合金内衬筒的预应力结果，如图4所示。与设计指标对比后对缠绕张力进行优化。
上述对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种纤维湿法缠绕张力的设计方法，其特征在于，包括以下过程：
(1)根据缠绕层建立对应层的纤维层与树脂层有限元模型；
(2)基于层间压力与纤维体积含量关系公式建立树脂层径向本构模型；
(3)将各层缠绕张力转化为各层纤维层温度载荷；
(4)杀死所有缠绕层单元；
(5)逐层激活缠绕层单元并施加温度载荷进行有限元分析；
(6)施加固化温度载荷进行固化过程有限元分析；
(7)冷却后有限元分析；
(8)从分析结果中提取包括纤维湿法缠绕的纤维剩余张力、预应力或纤维体积含量在内的参数计算结果，与设计指标对比，从而对缠绕张力进行优化；
过程(2)中，包括以下步骤：
(a)将层间压力与纤维体积含量关系公式
Figure FDA0004058769670000011
转化为层间压力与树脂层厚度公式
Figure FDA0004058769670000012
从而得到树脂层径向弹性本构关系，其中，σ为缠绕层层间压力，As为与树脂基体及纤维相关的弹性常数，Va为理想最大纤维体积含量，Vf为纤维体积含量，V0为初始纤维体积含量，tf为纤维当量厚度；t0为V0对应的树脂层当量厚度，tc为Vf对应的树脂层当量厚度，ta为Va对应的树脂层当量厚度；
(b)在有限元中采用Mooney-Rivlin模型简化的5参数或9参数超弹性材料单向本构关系函数拟合树脂层的径向弹性本构关系；
5参数超弹性材料单元单向本构关系计算公式为：
Figure FDA0004058769670000013
9参数超弹性单元单向本构关系计算公式为：
Figure FDA0004058769670000014
Figure FDA0004058769670000021
其中，σ为缠绕层层间压力，λ为伸长率，Cij为MR模型材料常数。
2.根据权利要求1所述的一种纤维湿法缠绕张力的设计方法，其特征在于，过程(1)中，层间接触线采用非共线的方式建模，耦合层间接触线的径向位移分量，以避免不同材料间泊松效应对计算结果的影响。
3.根据权利要求1所述的一种纤维湿法缠绕张力的设计方法，其特征在于，过程(3)中，在定义材料热膨胀系数及初始温度场的基础上，通过等应变转换，将缠绕张力大小等效为温差，以此温差为输入载荷，即温度载荷，张力转换公式如下：
Figure FDA0004058769670000022
其中，fc i为温差，Ti为第i层施加的缠绕张力，α为热膨胀系数，Af为纤维截面积，Ef为纤维弹性模量。
4.根据权利要求1所述的一种纤维湿法缠绕张力的设计方法，其特征在于，过程(5)中，温度载荷施加于纤维层，树脂层无载荷，未激活层径向位移分量与被激活层最外层耦合，每激活一层同时释放该层径向位移以实现激活层树脂单元的弹性变形分析。
5.根据权利要求1所述的一种纤维湿法缠绕张力的设计方法，其特征在于，过程(6)中，在缠绕完成后的计算基础上，对模型中所有单元施加固化温度载荷进行有限元分析。
6.根据权利要求1所述的一种纤维湿法缠绕张力的设计方法，其特征在于，过程(7)中，耦合各缠绕层层内径位移分量，以保证缠绕层厚度不再发生改变，对模型中所有单元施加冷却后温度载荷进行有限元分析。
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