[发明专利]一种纤维湿法缠绕张力的设计方法

说明书

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。

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：