[发明专利]一种高精度纤维湿法缠绕圆筒制件的等剩余张力设计方法

说明书

本发明公开了一种高精度纤维湿法缠绕圆筒制件的等剩余张力设计方法，包括：S1、基于导热微分方程的边值问题求解缠绕层的温度场分布T(rsubgt;i/subgt;)；S2、基于已知温度场分布，开展试验表征或结合等温固化模型求解固化度场分布γ(rsubgt;i/subgt;)；S3、基于当前缠绕层rsubgt;i/subgt;与所有在其外侧的缠绕层间具有递归迭代格式的隐函数，建立起初始缠绕层rsubgt;1/subgt;与最外层缠绕层rsubgt;n/subgt;环向张力间关系函数；S4、基于初猜值及收敛性要求求解最外层缠绕层环向张力Fsubgt;W/subgt;(rsubgt;n/subgt;)；S5、基于S3建立的隐函数，从最外层缠绕层开始逐层求解各缠绕层环向张力。

技术领域

本发明涉及复合材料成型工艺领域，具体涉及一种高精度纤维湿法缠绕圆筒制件的等剩余张力设计方法。

背景技术

湿法缠绕将浸渍树脂纤维按预设轨迹缠绕在旋转芯模上，是纤维增强复合材料回转体结构上应用最普遍的工艺，施加合适的缠绕张力有助于拉直纤维，排除缺陷气泡，充分发挥纤维承载性能。虽然张力控制系统在控制精度方面有了显著的改善，如专利文献CN215359985U、CN106217838B，然而传统的恒张力缠绕方案，外缠绕层对内缠绕层的放松效应会导致剩余张力，再加上温度效应及固化收缩效应下产生额外的残余应变及回弹变形，基于热-化学补偿效应考虑下等剩余张力设计缺乏理论指导，严重制约了制件尺寸精度的调控。专利文献CN111199125A公开了一种基于树脂超弹性本构及生死单元的仿真方法，该方法可逐层计算剩余张力，但对于等剩余张力优化设计仍需繁琐的试错过程；专利文献CN1528586A公开了一种梯度张力施加方法，帮助克服纤维层松紧不一的缺陷，然而该张力制度未考虑热胀效应以及树脂固化收缩协同作用带来的影响，设计精度较低，并不适用于高性能缠绕制件的制备。

发明内容

针对上述技术问题以及本领域存在的不足之处，本发明提供了一种高精度纤维湿法缠绕圆筒制件的等剩余张力设计方法，针对薄壁或厚壁圆筒结构的逐层递减的解析式湿法缠绕张力施加方法，在考虑热膨胀及化学收缩作用下实现等剩余张力设计，进而提高缠绕制件性能。

一种高精度纤维湿法缠绕圆筒制件的等剩余张力设计方法，具体流程如图1所示，包括：

S1、基于导热微分方程的边值问题求解缠绕层的温度场分布T(r_i)；

S2、基于已知温度场分布，开展试验表征或结合等温固化模型求解固化度场分布γ(r_i)；

S3、基于当前缠绕层r_i与所有在其外侧的缠绕层间具有递归迭代格式的隐函数，建立起初始缠绕层r₁与最外层缠绕层r_n环向张力间关系函数：

F_W(r_i)＝g(F_W(r_i+1),F_W(r_i+2),…,F_W(r_n))

F_W(r₁)＝g(F_W(r_n))

其中，i＝1,2,…,n，表示缠绕层数；

S4、基于初猜值及收敛性要求求解最外层缠绕层环向张力F_W(r_n)：

其中，为目标剩余环向缠绕张力，为初始缠绕层纤维缠绕角；