复合材料圆柱壳铺层工艺优化设计开题报告

全文总字数：3414字

1. 研究目的与意义（文献综述）

圆柱壳结构是工业生产中普遍存在的一种形式，例如在航空航天领域，它经常作为结构的主要承载部分，火箭的箭身、导弹的弹体、飞机的机身等通常多采用这种圆柱壳结构。随着工业的发展，复合材料的潜力被不断挖掘出来，其中纤维增强树脂基复合材料凭借在比强度、比刚度、可设计性、抗疲劳性能等方面的优势得到了迅速发展，其各种优良特性很好地契合圆柱壳结构的需要，常作为圆柱壳结构的缠绕层材料使用。复合材料圆柱壳逐渐在航空航天、建筑、海洋、汽车等领域中发挥着不可替代作用。

目前，国内外学者对复合材料圆柱壳已经做了大量研究工作，以对其结构进行优化。王文才等对复合材料圆柱壳进行了振动性能影响因素研究；王迪针对复合材料气瓶，研究其结构和性能；许贤泽提出，随着纤维方向的改变，复合材料壳体层间的应力不仅分布形式会不同，其最大层间剪应力所在的界面也会各不相同；pranesh krishnan等的研究表明复合材料的应力比与缠绕角度具有强烈依耐性，不同的缠绕角度将会决定不同的最大载荷条件；闫光等在研究复合材料圆柱壳轴向压缩性能时指出，铺层角度对圆柱壳结构屈曲性能会有明显影响；蔡浩鹏等研究了铺层角度对缠绕制品的弯曲性能的影响，其研究表明，随着缠绕角度的增加,弯曲破坏模式由受压屈曲失效转变为极限应变失效，而增大缠绕角度可以抑制受压屈曲造成的失效；张辉亮基于有限元的方法研究铺层角度对圆柱壳的强度、变形、稳定性的影响。大量研究表明，复合材料圆柱壳的力学性能与铺层工艺息息相关，并着重研究了特定受力下的最佳铺层角度。事实上由于纵向缠绕在工艺上较难实现，研究的复合材料圆柱壳多采用螺旋缠绕和环向缠绕相结合的铺层方式成型，而对于环向缠绕、螺旋缠绕、纵向缠绕及其之间的组合下材料的力学性能表现尚不清楚。

近年来，我国在纤维铺放技术、纤维缠绕设备以及软件和工艺等方面，开展了许多探索研究，并取得了许多阶段性成果。随着研究者对缠绕工艺的不断探索，各式新型纤维缠绕设备被推出，纵向缠绕在工业上逐渐得到应用。而已有研究表明不同铺层工艺下的复合材料圆柱壳其力学性能将会不同。因此，根据不同工况下对材料力学性能的需要，对环向缠绕、螺旋缠绕、纵向缠绕等进行不同组合，来相应地优化设计铺层工艺，可以在结构安全的情况下提升材料的经济性能，这对于改善国计民生，进一步提高我国经济实力具有重要意义。

2. 研究的基本内容与方案

2.1研究基本内容

复合材料圆柱壳结构具有优异的性能，在各行业得到广泛应用，而其力学性能又与工艺直接相关。现如今复合材料圆柱壳多采用螺旋缠绕加环向缠绕的工艺，而不同缠绕方式下，材料中的纤维分布明显不同，在一些特定的受力情况下，材料中纤维的承载能力无法完全发挥出来，这对材料的经济性会有影响，本论文拟通过优化铺层工艺的方式，在保证材料性能的条件下，降低复合材料圆柱壳的成本。具体研究内容包括以下三个方面：

（1）基于目前生产工艺的提升，对于缠绕方式的研究，论文拟加入纵向缠绕的方式。分别针对不同缠绕方式，研究材料的基本力学性能，探索各缠绕方式的特点，及其对于材料基本力学性能的影响；

3. 研究计划与安排

第1~3周：查阅相关文献资料，明确研究内容，确立基本的研究思路，完成开题报告；

第4~8周：计算环向缠绕、螺旋缠绕、纵向缠绕等不同铺层工艺的基本力学性能；

第9~11周：建立不同铺层工艺组合下的复合材料层合圆柱壳的基本力学性能并根据力学性能优化设计不同的铺层工艺；

4. 参考文献（12篇以上）

[1]陈烈民，杨保宁．复合材料的力学分析[m]．北京: 中国科学技术出版社，2006：8－10．

[2]杜善义．先进复合材料与航空航天[j]．复合材料学报，2007(01): 1-12．

[3]柯仙送．受压复合材料圆柱壳破坏的数值分析与试验研究[d]．江苏：南京航空航天大学，2017．