纤维缠绕复合材料环形容器设计优化(英文)

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纤维缠绕环形容器可充分利用空间,节省结构质量和消除系统质心漂移,目前在很多工业领域中发挥着日益重要的作用。本文基于复合材料层合理论和测地线缠绕原理,提出了纤维缠绕环形压力容器的线型优化设计方法。应用微分几何,导出了圆环面上测地缠绕轨迹和纤维不架空判据。以初始缠绕角和缠绕层厚度为变量,对结构重量进行最小化设计,得到了对应于不同管径比的优化缠绕线型。对优化线型进行了计算机缠绕仿真,并给出了缠绕铺层的各向正轴应力分布。结果表明,优化设计的缠绕线型模式精确可靠,满足纤维缠绕的基本要求。纤维缠绕角度大小更趋于合理,从而能充分发挥缠绕结构的力学性能,减经系统重量,使优化得到的环形容器结构性能比传统测地线缠绕环形容器有很大提高。本文的设计计算方法可直接用于复合材料环形气瓶的初步设计。 Fiber-wound toroidal vessels, which take full advantage of space, save structural quality and eliminate systemic center-of-mass drift, are playing an increasingly important role in many industrial fields. In this paper, based on the theory of composite lamination and the principle of geodesic winding, a linear optimization design method of fiber wound annular pressure vessel is proposed. By using differential geometry, the criterion of geodesic winding trajectory and fiber undetectability on the torus is deduced. Taking the initial winding angle and the thickness of the wound layer as variables, the structure weight was minimized and the optimal winding pattern corresponding to different diameter ratio was obtained. Computer simulation of the optimized line shape was carried out and the stress distribution in the positive axis of the wound layup was given. The results show that the optimized design of winding pattern is accurate and reliable, and meets the basic requirements of fiber winding. The size of the fiber winding angle tends to be more reasonable, so that the mechanical properties of the winding structure can be fully exerted and the weight of the system can be reduced. As a result, the structural performance of the annular container obtained by the optimization is greatly improved than that of the traditional geodesic winding container. This paper’s design and calculation method can be directly used for the initial design of composite annular gas cylinder.
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