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《西安理工大学》 2007年
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纤维缠绕环形容器结构设计与损伤检测

祖磊  
【摘要】: 近年来,纤维缠绕环形压力容器在飞行器中发挥着日益重要的作用。其形状特殊,可以充分利用和节省空间,且在减轻发动机系统质量,消除质心漂移方面具有较大优势。本文针对纤维缠绕环形容器的设计和制造,提出同时满足力学结构特性和缠绕工艺性的线型参数设计方法以符合实际工程需要,并采用改进的高精度模态应变能法进行结构损伤检测。 第一章简要地介绍了纤维缠绕概况,阐述了研究开发环形压力容器缠绕CAD/CAM系统的背景及重要意义,以及对复合材料结构层进行损伤检测的现实意义。 第二章推导了测地线缠绕环形容器的线型方程,利用微分几何分析了圆环面上测地线不架空判据,指出了测地线缠绕环形容器的局限性。 第三章提出了均衡型缠绕环形容器的设计概念。考虑截面厚度变化和初始缠绕条件,给出了环形容器的均衡缠绕参数及线型的确定方法。导出了纤维在圆环面上稳定缠绕的充要条件,给出了同时满足均衡型和稳定缠绕双重条件的线型滑移系数、相对弯曲半径以及两向纤维层厚度比之间的关系。本文还以螺旋向铺层的初始缠绕角和厚度为变量,以稳定缠绕条件和壳体强度要求为约束,缠绕层最小质量为优化目标,利用序列二次规划算法求得了不同爆破压强下的各项最优均衡缠绕参数。 第四章针对环形容器缠绕,提出了一种比目前普遍采用的测地线具有更大自由度的新路径—非测地线。推导了非测地线缠绕环形容器的线型方程,给出了同时满足结构优化和稳定缠绕的线型设计的概念及方法。分析了芯模和吐丝嘴的缠绕速比,结合均匀布满条件对优化线型进行了调整。采用优化的非测地线模式进行缠绕,可较大地提高了压力容器整体结构的承载性能。 第五章简述了环形容器缠绕机的一般工作方式,根据缠绕过程中丝嘴和芯模的运动规律,推导出环形容器缠绕机的各坐标运动方程,给出了求解芯模转角的非线性方程。 第六章将CAD技术应用到环形容器的缠绕设计中,研究了CAD系统各组成模块的功能及实现方法,对测地线和非测地线缠绕成型进行了计算机图形仿真和比较。 第七章提出了一种基于模态应变能诊断结构损伤的改进方法。基于摄动理论,考虑结构参数修改量高阶项,得到模态参数在结构发生损伤前后的变化量。提出一种模态分离法,用低阶模态参数的级数展开式表示高阶模态项。给出了用模态应变能变化率来评定结构损伤程度的高精度算法。
【学位授予单位】:西安理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:TH49;TH878

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