[发明专利]一种纤维湿法缠绕张力的设计方法

权利要求书

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转化为层间压力与树脂层厚度公式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，A_s为与树脂基体及纤维相关的弹性常数，V_a为理想最大纤维体积含量，V_f为纤维体积含量，V₀为初始纤维体积含量，t_f为纤维当量厚度；t₀为V₀对应的树脂层当量厚度，t_c为V_f对应的树脂层当量厚度，t_a为V_a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：

9参数超弹性单元单向本构关系计算公式为：

其中，σ为缠绕层层间压力，λ为伸长率，C_ij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：

其中，f_cⁱ为温差，Tⁱ为第i层施加的缠绕张力，α为热膨胀系数，A_f为纤维截面积，E_f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。