（机械电子工程专业论文）树脂基纤维复合材料筒形压力容器的缠绕仿真.pdf

中文摘要 纤维增强塑料( f i 冲) 是一种具有比强度高、比刚度高、低密度、耐腐蚀 性等优越性能的复合材料。纤维缠绕是制造高强度复合材料制品的一种重要工 艺方法，广泛应用于航空、航天、建材、化工等领域。在纤维缠绕工艺中，连 续纤维被缠绕到芯模上以形成复合材料制品。 纤维缠绕制品通过缠绕线型的三种基本类型生产出来，它们是平面缠绕、 螺旋缠绕和环向缠绕。纤维缠绕工艺适合于制造旋转对称制品。在缠绕制品中， 纤维缠绕复合材料压力容器因其低成本、重量轻和安全性好，在军用和民用中 被广泛应用于储存气体或流体。 在纤维缠绕线型规律分析的基础上，将纤维缠绕筒形压力容器分为筒身和 封头两个部分进行缠绕线型分析，根据相关参数就能得到缠绕纤维上对应点( 落 纱点) 的坐标值。同时对于纤维缠绕过程中，绕丝嘴的运动规律也进行了分析。 在v i s u a lc + + 环境下，结合o p e n g l 可以实现纤维缠绕的动态仿真。o p e n g l 是一个性能优越的三维图形应用程序库，目前已成为三维图形开发标准，广泛 应用于虚拟现实、娱乐、c a d c a n 吖c a e 等领域。充分利用v i s u a lc + + 的m f c ( m i c r o s o f t 基本类库) 资源可以简化编程，提高程序的开发效率。 将筒形压力容器的主要几何尺寸进行参数化，形成通用的仿真模型，利用 o p e n g l 的相关命令和函数对仿真模型进行三维建模，通过设置法线、光照、 材质和投影变换等命令以实现真实感。仿真程序首先根据输入的基本参数进行 纤维缠绕线型的c a d 设计，从而得到缠绕线型参数，然后根据线型进行纤维缠 绕的仿真。仿真过程中，程序的开始和停止、观察的角度和范围能被控制。 动态仿真程序能逼真地模拟纤维缠绕的：吐程，在实际缠绕之前进行动态仿 真可以验证缠绕的可行性，降低生产成本，提高生产效率，因此大力发展缠绕 仿真软件是非常有价值的。 关键字：纤维缠绕，筒形压力容器，测地线，动态仿真 i l a b s t r a c t f i b e rr e i n f o r c ep l a s t i c ( f e d ) i sak i n do f c o m p o s i t e m a t e r i a l sw h i c hh a sh i g h s p e c i f i ci n t e n s i t y , h i g hs p e c i f i cr i g i d i t y , l o wd e n s i t y , e x c e l l e n tc o r r o s i o n r e s i s t a n c e f i l a m e n tw i n d i n g ( f w ) i sa l l i m p o r t a n tm e t h o do fm a n u f a c t u r i n gh i g h i n t e n s i o n c o m p o s i t e m a t e r i a lp r o d u c t s ，a n di ti se x t e n s i v e l ya p p l i e di nt h ea v i a t i o n ，a s t r o n a u t i c ， c h e m i c a li n d u s t r ya n db u i l d i n gm a t e r i a le t c i ti st h ep r o c e s si nw h i c hc o n t i n u o u s f i b r e sa r ew o u n do nam a n d r e lt of o r ma c o m p o s i t ec o m p o n e n t f i l a m e n t w o u n dp r o d u c t sa r ep r o d u c e db y u s i n g o n eo ft h et h r e eb a s i ct y p e so f w i n d i n gp a t t e r n s ：p o l a r , h e l i c a l ，a n dh o o p f i l a m e n tw i n d i n gp r o c e s si sw e l ls u i t e dt o t h em a n u f a c t u r eo f r o t a t i o n a l l y s y m m e t r i cc o m p o n e n t s f i l a m e n t w o u n dc o m p o s i t e p r e s s u r ev e s s e l sa r ew i d e l yu s e df o rc o n t a i n m e n to fg a s e s f l u i di nb o t hm i l i t a r ya n d c o m m e r c i a la p p l i c a t i o n sb e c a u s eo f t h e i rl o w c o s t ，w e i g h ts a v i n g s ，a n ds a f e t y a f t e rf w p a t t e r nh a sb e e na n a l y z e d f i l a m e n t - w o u n dt u b e - s h a p e dp r e s s u r e v e s s e li sd i v i d e di n t ot w o p a r t s t o a n a l y z e ，h e a d s a n dc y l i n d e r a c c o r d i n gt o r e l a t i o n a lp a r a m e t e r s ，f i b e r - t o u c h e dp o i n t sc a nb ed e f i n e d t h ef e e d e y em o v e m e n t i sa l s oa n a l y z e d i nt h ee n v i r o n m e n to fv i s u a lc + + d y n a n f i cs i m u l a t i o no ff w c a nb er e a l i z e d b yu s i n go p e n g l o p e n g l i sa h i g hq u a l i f i e dl i b r a r yo f 3 d g r a p ha p p l i c a t i o n ，a n d n o wi th a sb e c o m et h ed e v e l o p m e n ts t a n d a r do f3 dg r a p h i c s o p e n g lh a sb e e n w i d e l ya p p l i e di nv i r t u a lr e a l i t y , e n t e r t a i n m e n ta n dc a d c a m c a e m f cr e s o u r c e c a n s i m p l i f yt h ep r o g r a m m i n ga n di m p r o v et h ed e v e l o p m e n te f f i c i e n c y t h es i m u l a t i o nm o d e lh a sb e e nd e f i n e d b yg e o m e t r i cp a r a m e t e r so f t u b e - s h a p e d p r e s s u r ev e s s e l ，w h i c hh a sb e e ns t r u c t u r e db yu s i n gr e l a t i o n a lc o m m a n d sa n d f u n c t i o n so fo p e n g l ，a n dr e a l i s t i ci m a g ei sr e a l i z e db ys e t t i n gu pn o r m a l ，l i g h t ， m a t e r i a l ，p r o j e c t i o nt r a n s f o r m a t i o na n ds o 0 1 2 i nt h es i m u l a t i o n p r o g r a m ，b a s i c p a r a n a e t e r sh a v eb e e ni n p u tt oc a r r yt h r o u g hc a d o ff w p a r e r n t h e nf w h a sb e e n s i m u l a t e d t h ep r o g r a mc a nc o n t r o lt h es t a r ta n d s t o po f t h ep r o g r a m ，t h ea n g l ea n d r a n g e o f t h ev i e w t h es i m u l a t i o np r o g r a mc a nv i v i d l ys i m u l a t et h ep r o c e s so ff i l a m e n tw i n d i n g a n dt e s t i f yt h e f e a s i b i l i t yo ff i l a m e n tw i n d i n g r e d u c et h ep r o d u c t i o nc o s ta n d i n c r e a s et h ep r o d u c t i v i t y , s oi ti sw o r t hd e v e l o p i n gs i m u l a t i o ns o f t w a r ef o rf i l a m e n t w i 谢t 遗 k e yw o r d s ：f i l a m e n tw i n d i n g ，t u b e s h a p e dp r e s s u r ev e s s e l ，g e o d e s i c ， d y n a m i cs i m u l a t i o n 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 纤维缠绕机的发展1 1 1 2 1 纤维缠绕机( f w m ) 是连续纤维增强塑料( f r p ) 缠绕制品生产的关键设 备，辅助设备有浸胶装置、张力装置、加热固化装置、脱模装置、修整装置及 纱架装置等。自1 9 4 7 年美国k e l l o g 公司制造出世界第一台纤维缠绕机以来， 纤维缠绕机经历了以下三个发展阶段。 1 机械控制缠绕机 机械控制缠绕机形式很多，而以卧式和立式应用最广泛。卧式机械缠绕机 的布局及运动形式与普通车床相似。芯模被：艇持在主轴与尾座之间作旋转运动， 导丝头( 丝嘴) 随小车作平行于芯轴方向的往复运动。机械控制纤维缠绕机一 般采用简单的齿链轮、链条、离合器等机械传动方法，机械效率和运动控制精 度较低，机器的灵活性差，生产准备时间过长，非线性缠绕的精度不高，但结 构简单，制造成本低，运行可靠，维修方便。对于大批量定型民用产品的生产， 仍不失为一种经济实用的设备。随着缠绕制品应用范围的扩大，制品几何形状 也干变万化，机械控制缠绕机已不能满足生产要求，因此，出现了数字程序控 制缠绕机。 2 数字程序控制缠绕机 数字程序控制缠绕机是将芯模的角位移量和导丝头的线位移量转换为电脉 冲形式的数字量进行控制。数字程序控制缠绕机使用拨码开关作为数据输入， 改变参数容易，简化了操作，具有一定的灵活性。但在非线性缠绕时仍须设计 加工木制凸轮，而且拨码开关只能存放少量信息，数控系统没有编程运算功能， 改变制品时准备工作仍很大，所以还不能满足复杂制品缠绕的要求。 3 微机控制纤维缠绕机 随着2 0 世纪7 0 年代微型计算机的问世，出现了微机控制缠绕机( m c f w ) 。 微机控制纤维缠绕机是按照既定纤维缠绕( i - w ) 线型轨迹的数学模型准确编程， 因而导丝头更能准确地跟踪理论轨迹线布线，实现稳定纤维缠绕。改变程序就 能实现不同制品的缠绕，这就大大增加了缠绕机的灵活性和适应性。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 纤维缠绕成型工艺简介3 】网【5 】1 6 】川【4 7 】 纤维缠绕成型工艺是指将连续纤维( 带) 经过树脂浸胶或采用预浸胶纤维 ( 带) ，按照一定的规律缠绕到芯模上，然后在加热或常温下固化，制成一定形 状制品的工艺方法。其工艺流程如图1 - 1 。 1 2 1 纤维缠绕成型工艺的分类 纤维缠绕成型工艺按树脂基体所处化学物理状态的不同，分为干法缠绕、 湿法缠绕和半干法缠绕三种。 图1 - 1 纤维缠绕成型工艺图 武汉理工大学硕士学位论文 1 。干法缠绕 在缠绕前预先将玻璃纤维制成预浸渍带，然后卷在特制卷盘上待用。使用 时使浸渍带加热软化至粘流后缠绕到芯模上。预浸纱是由专用预浸设备制造， 可严格控制纱带的含胶量和尺寸，因此干法缠绕制品质量较稳定。这种方法可 大大提高缠绕速度，可达到1 0 0 2 0 0 m m i n ，缠绕张力平稳，缠绕设备清洁， 易实现自动化控制。干法缠绕工艺中，必须另行配置胶纱( 带) 预浸设备，因 此设备投资较大。 2 湿法缠绕 湿法缠绕是将玻璃纤维经集束，浸胶后在张力控制下直接缠绕在芯模上， 然后固化成型。这种方法的设备较简单，无须另行配置预浸设备，对原材料要 求不高，比较经济。由于纱片浸胶后马上缠绕，因此纱片质量不易控制和检验， 缠绕张力也不易控制。在缠绕过程中对缠绕设备如浸胶辊、张力机构、导纱辊 等要经常清理，否则，一旦在辊上发生纤维缠结，就将影响整个缠绕过程的正 常进行。 3 半干法缠绕 半干法缠绕是将无捻粗纱( 或布带) 浸渍树脂胶液，预烘后随即缠绕到芯 模上。这种工艺与湿法相比，增加了烘干工序，与干法相比，缩短了烘干时间， 降低了胶纱的烘干程度，使缠绕过程可以在室温下进行，这样既除去了溶剂， 又减少了设备，提高了制品质量。 1 2 2 纤维缠绕成型工艺的特点及应用 纤维缠绕成型工艺的制品呈各向异性，强度的方向性比较明显，层间剪切 强度低。制品的几何形状有局限性，仅适用于制造圆柱体、球体、锥体、椭圆 体、某些正曲率回转体制品以及部分上述形体的条件组合，对负曲率回转体制 品及绝大多数菲回转体难以缠绕。设备及辅助设备较多，投资较大，只有大批 量生产时，成本才能降低。与其它成型工艺相比，纤维缠绕增强塑料制品比强 度高，f w r p 的比强度是钛的3 倍，钢的4 倍，使其在航空航天方面得以成功 的应用。般来说，玻璃纤维缠绕的压力容器比同体积的钢质容器，重量可轻 4 0 - 6 0 。纤维缠绕增强塑料制品质量高且稳定，易实现机械化和自动化生产， 生产效率高，材料成本低，所用增强材料，大多是无捻粗纱等连续纤维，减少 武汉理工大学硕士学位论文 了纺织和其它加工费用。 纤维缠绕工艺最早是在1 9 4 7 年美国开始研究，用于生产f 一8 4 飞机的压缩 空气瓶。2 0 世纪6 0 年代航天、导弹、飞机提出了高强度、轻质量高压容器的 要求。美国宇航局和空军材料实验室首次研制成功复合材料固体火箭发动机壳 体，比普通金属壳体轻2 0 - - 5 0 。北极星a 3 导弹一、二级发动机壳体用纤维缠 绕玻璃钢取代合成钢，质量减轻4 5 ，生产周期缩短了l 3 ，成本仅是钛合金的 1 1 0 。目前，缠绕成型工艺及其制品的众多优点，使得纤维缠绕玻璃钢制品在 民用及军用工业上得到比较广泛的应用。 1 玻璃钢压力容器有受内压容器( 如各种气瓶) 和受外压容器( 如鱼 雷等) 两种。目前压力容器应用广泛，如宇航、火箭、飞机、舰艇等运载工具 及医疗等方面都有应用。 2 玻璃钢化工管道用于输送石油、水、天然气、化工流体介质等，它 可部分代替不锈钢，具有轻质、高强、防腐、耐久、维修方便的特点。 3 大型贮罐和罐车用以运输或存储酸类、碱类、盐类及油类介质，具 有耐腐蚀性好、重量轻、维修方便等优点。 4 军用制品如火箭发动机外壳、火箭发射管、雷达罩、鱼雷、鱼雷发 射管等。 应用于空间技术的缠绕结构要求性能精度高，最具代表性的产品是火箭发 动机外壳，如美国m x 导弹、二级发动机，三叉戟导弹一、二、三级发动机。 最常用的材料是s 玻璃纤维环氧树脂。为了满足航空航天工业发展的要求，碳 纤维、芳纶纤维已开始成为主导增强材料，断裂韧性和温热性能优异的双马来 酰亚胺树脂，具有突出耐高温电气性能的聚酰亚胺树脂都已开始应用。民用方 面，缠绕工艺的趋势是使用便宜的原材料，提高缠绕设备的效率来扩大应用范 围。近年来，通用纤维缠绕技术不断完善和提高，一系列新的纤维缠绕技术解 决了特殊结构形状的适应能力问题，开辟了新的领域。纤维缠绕技术的研究与 应用，正在步入一个新的高速发展时期。 1 2 3 纤维缠绕成型工艺的原材料 纤维复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的材料组合而成 的。纤维缠绕玻璃钢所用的原材料主要包括玻璃纤维及其织物和粘结剂系统两 4 武汉理工大学硕士学位论文 大类，所用原材料的优劣及工艺性的好坏直接影响制品质量。 1 玻璃纤维 玻璃纤维在缠绕制品中是主要承力材料，制品的强度，主要取决于纤维的 强度。纤维应具有较高的强度和模量，对粘结剂有良好的浸润性，在缠绕成型 中不起毛、不断头，同一束纤维中各股张紧程度均匀，有良好的存储稳定性。 玻璃纤维需要进行表面处理，以增强与树脂的粘结性，从而充分发挥玻璃纤维 高强特性。用于缠绕工艺的玻璃纤维，按其状态可分为有捻纤维和无捻纤维。 缠绕玻璃钢多用无捻纱，无捻纱应力环的强度优于有捻纱。航空航天制品多选 用性能优异价格昂贵的碳纤维和芳纶纤维，一般民用产品多选用连续玻璃纤维。 2 粘结剂系统 粘结剂应具有良好的工艺性，较高的机械强度和弹性模量，延伸率应比玻 璃纤维略高。基体保持纤维的铺设形态，将载荷传递给纤维，强化了沿纤维方 向纤维的承载能力。用于缠绕制品的树脂主要有环氧树脂、酚醛树脂和聚酯树 脂等。复合材料制品的工艺性、耐热性、耐老化性及化学腐蚀性主要取决于树 脂基体，而且对力学性能的压缩强度、层向剪切强度也有重要影响。常温使用 的内压容器一般采用双酚a 型环氧树脂；高温使用的容器则采用酚醛型环氧或 脂肪族环氧树脂。选用的树脂基体应对玻璃纤维有良好的粘结和浸润性，适宜 的使用期及初始粘度，固化温度不高，毒性和刺激性小等。 目前，无论是在军用领域，还是民用领域树脂基复合材料的需求都呈现上 升趋势。复合材料在新一代军用战斗机、民用客机和军用直升机上的用量比例 已达到机身结构重量的2 4 、1 1 8 口5 4 ，树脂基复合材料在飞机上的用量及 其性能水平已成为飞机先进性的重要标志之一。 1 2 4 纤维缠绕工艺参数的选择嗍【9 l 纤维缠绕工艺过程一般包括下列工序：芯模或内衬的制造，树脂胶液的配 制，纤维烘干和热处理、浸胶，在一定张力下进行缠绕、固化、修整、检验、 脱模、最后加工成制品。 影响缠绕制品性能的主要工艺参数有：玻璃纤维的烘干温度和热处理时间、 玻璃纤维浸胶后胶液含量及分布、缠绕张力制度、纱片缠绕位置及纱片宽度的 变化、固化制度、缠绕速度和环境温度等。这些因素多半是紧密地联系在一起 武汉理_ t 大学硕：上学位论文 的。合理地选择工艺参数是充分发挥原材料特性，制造高质量缠绕制品的重要 因素。 1 纤维的烘干和热处理 玻璃纤维使用的浸润剂通常是水溶液，纤维表面会含有大量水分，影响树 脂与纤维的粘合，引起应力腐蚀，使制品强度和耐老化性能下降。因此，玻璃 纤维使用前必须经过烘干处理。烘干制度视水量和纱锭大小而定，对于无捻纱， 一般在6 0 。c 8 0 烘干2 4 小时即可。用石蜡乳剂型滑润剂的玻璃纤维使用前 要除去润滑油，除去润滑油的常用方法有热处理法和化学处理法。 2 纤维的浸胶 纤维含胶量及分布直接影响玻璃钢制品的性能，含胶量过低，制品孔隙率 增加，使得制品气密性、耐老化性能及剪切强度下降。含胶量过大的变化会引 起不均匀的应力分布，并在某些区域引起破坏。因此，纤维浸胶过程必须严格 控制。浸胶过程可分为两个阶段：首先是将胶液涂敷在增强材料表面，然后胶 液向增强材料内部扩散和渗透。为了使玻璃纤维浸渍透彻，树脂含量必须均匀 并使纱片中的气泡尽量逸出，粘度要低。 3 缠绕张力 缠绕张力是纤维缠绕过程中，纤维所受的张紧力。张力大小、各束纤维间 张力的均匀性以及各缠绕层之间纤维张力的均匀性，对制品质量影响极大。缠 绕张力能使树脂产生预应力，从而提高树脂抵抗开裂的能力。各束纤维间如果 张力不匀，当承受载荷时，纤维会被各个击破，使总体强度大大降低。为了使 制品各缠绕层不至于在张力作用下出现内松外紧现象，应使缠绕张力逐层有规 律递减，以使各层的初始应力状态相同。张力逐层有规律的递减，称为张力制 度。 4 纱片宽度的变化 纱片宽度不均匀会使纱片间隙的地方成为富树脂区，形成结构上的薄弱点。 纱片宽度主要随缠绕张力而变化，通常为1 5 3 5 毫米， 5 缠绕速度 纤维缠绕过程中两个基本运动是芯模旋转和导丝头( 小车) 往复直线运动。 纤维纱线相对于导丝头缠到芯模上去的速度称为纱线速度。缠绕速度通常是指 纱线速度，应控制在一定范围内。速度过小则生产率过低，速度过大则树脂可 能从缠绕结构向外迁移和溅洒，杂质吸入玻璃钢结构中，小车运行不稳，影响 6 武汉理工大学硕士学位论文 缠绕质量。湿法缠绕，纱线速度最大不宣超过0 9 n a s ，小车速度最大不宣超过 0 7 5 m s 。 6 固化制度 玻璃钢制品的固化有常温固化和加热固化两种。固化制度主要取决于树脂 系统性质和制品的物化性能，此外尚须考虑制品结构、形状、尺寸以及生产率 等因素。固化制度是保证制品充分固化的重要条件，直接影响制品的物理性能 和机械强度。加热固化制度包括加热的温度范围、升温速度、恒温温度及保温 时间。 1 3 计算机仿真方法概述【1 1 】【1 2 】【1 3 】 1 。3 。1 计算机仿真的基本概念及特点 计算机仿真( c o m p u t e rs i m u l a t i o n ) 是指建立系统模型的仿真模型进而在 电子计算机上对该仿真模型进行模拟实验( + 仿真实验) 研究的过程。 计算机仿真技术集成了计算机技术、网络技术、图形图像技术、面向对象 技术、多媒体、软件工程、信息处理、自动控制等多个高新技术领域的知识。 计算机仿真技术是以数学理论、相似原理、信息技术、系统技术及其应用领域 有关的专业技术为基础，以计算机和各种物理效应设备为工具，利用系统模型 对实际的或设想的系统进行试验研究的一门综合性技术。图1 - 2 为计算机仿真 方法的一般模式。 图1 - 2 计算机仿真方法的一般模式框架图 武汉理工大学硕士学位论文 计算机仿真方法能优化系统设计，降低实验成本，减少失败风险，提高预 测能力。目前，无论在科学研究还是技术开发或工业设计中，计算机仿真方法 都显示出强大的威力，己成为人们研究复杂系统时不可或缺的一种手段。计算 机仿真方法的特点： 1 。模型参数任意调整 模型参数可根据要求通过计算机程序随时进行调整、修改或补充，使人们 能掌握各种可能的仿真结果，为进一步完善研究方案提供了极大的方便。这使 得计算机仿真与通常的实物实验相比，具有运行费用低、无风险以及方便灵活 等优点。 2 系统模型快速求解 利用计算机，在较短时间内就能知道仿真运算的结果( 数据或图像) 。 3 运算结果可靠 只要系统模型、仿真模型和仿真程序是科学合理的，那么计算机的运算结 果一定是准确无误的。 1 3 2 计算机仿真发展的方向 1 分布交互仿真( d i s t r i b u t e di n t e r a c t i v es i m u l a t i o n ，d i s ) 分布交互仿真是将物理位置分布的功能相同( 或不同) 的多个仿真应用有 效地集成到一个共同的环境，各仿真应用可自主地加入或离开整体环境，在此 环境中能彼此交互以实现特定的目的。 d i s 系统具有分布性、交互性、仿真性、实时性、集成性和开发性等特点。 d i s “分布”、“交互”、“仿真”的特征，是把分布的仿真节点与网络连接起来， 构造成统一、协调的综合仿真环境，允许人的参与和行为表现。d i s 需广泛的 支撑技术，如高速计算技术、高速网络通讯技术、信息集成平台、面向对象的 建模工具、动态场景实时生成与显示、人工智能技术、虚拟现实技术、指挥控 制的建模、模型的可信性研究及d i s 的组织与管理。在军事、制造业及其他行 业中，d i s 的特征使它们信息交互的空间更广，时间更少，更有利于单独实体 的工作与整体间配合。随着计算机技术的飞速发展，仿真技术越来越广泛地应 用于各个领域，使传统意义上的p c 能够完成以前工作站才能完成的工作，应 用分布交互式仿真技术就能充分利用计算机资源。 武汉理工大学硕士学位论文 2 人机和谐仿真 人机和谐仿真主要包括可视化仿真、多媒体仿真和虚拟现实仿真。 随着计算机图形技术的发展，出现了可视仿真技术并已得到了比较广泛的 应用。科学计算可视化是把计算中所涉及和所产生的数字信息转变为直观的、 以图像或图形信息表示的、随时间和空间变化的物理现象或物理量，呈现在研 究者面前，使他们能够观察到模拟和计算。可视化仿真考虑了三维物体的时空 变化和真实的物理模型情况，采用友好的人机交互方式，使仿真结果可视化并 具有直观性。 多媒体仿真是使人的感官和思维进入仿真回路的一种手段。它采用不同媒 体形态描述不问性质的模型信息，建立反映系统内在运动规律和外在表现形式 的多媒体仿真模型，并在多媒体计算机上运行，产生定性、定量相约合的系统 动态演变过程，从而获得关于系统的感性和理性认识。 虚拟现实技术则是在综合计算机图形技术、计算机仿真技术、传感技术、 显示技术等多种学科技术的基础上发展起来的，是2 0 世纪9 0 年代计算机领域 的最新技术之一。虚拟技术主要有3 个特征：沉浸( i m m e r s i o n ) 、交互 ( i n t e r a c t i o n ) 、构想( i m a g i n a t i o n ) 。它以仿真方式给用户创造一个实时反应实 体对象变化与相互作用的三维图形世界，使用户直接参与和探索仿真对象在所 处环境中的作用与变化，给人一种身临其境的真实感。 3 智能仿真 目前，计算机仿真技术越来越多地用于社会、经济、环境、生态等这类非 工程系统的研究、预测和决策。由于非工程系统多数是复杂的大系统，故人们 对系统的结构往往很难了解，人工智能在仿真中的应用就可使计算机从单纯的 数据处理机变为有一定智能的推理机，能更有效地处理非工程系统的研究。 计算机仿真与人工智能和专家系统的结合使系统仿真进入了新的领域。知 识库仿真系统可以达到领域专家处理问题的水平，自动建模与仿真程序自动生 成可以取代仿真建模和编程人员的工作，智能化仿真决策系统可辅助决策人员 进行科学决策。 智能仿真系统结构框架，是模仿人类思维活动的通用模型，求解问题的智 能活动过程，通常可以从时间、空间的角度，采用递阶的层次结构或时序过程 表示。被仿真的系统越来越复杂化，靠人工进行仿真试验已经难以胜任，运用 人工智能技术可进行辅助识别对象模型、诊断仿真故障、选择仿真算法、分析 武汉理工大学硕士学位论文 仿真结果。 为了改善仿真环境的自学习、自组织、自适应的能力，仿真界正开始研究 人工神经网络在仿真领域中的应用。人工神经网络认为思维的基本元素是神经 元，思维过程由大量神经元组成的平行网的活动构成，各神经元间的传播过程 构成了思维。这种认识模型的方式对求解微观、动态、复杂、模糊等问题的解 有较强的能力。 1 3 3 计算机仿真技术在制造业中的应用 计算机仿真技术作为一门新兴的高科技技术，在制造业产品设计和制造， 尤其在航空、航天、国防及其他大规模复杂系统的研制开发过程中，一直是不 可缺少的工具，它在减少损失、节约经费、缩短开发周期、提高产品质量等方 面发挥了巨大的作用。在从产品的设计、制造至测试维护的整个生命周期中， 计算机仿真技术贯穿始终。 1 虚拟制造( v m ) “虚拟制造”是在二十世纪九十年代提出的一种全新的制造理念，虚拟制 造采用计算机虚拟仿真技术，以新产品及其制造系统的全局最优化为目标，通 过仿真模型，在计算机上仿真生产全过程，实现产品的工艺规程、加工制造、 装配和调试，预估产品的功能、性能和加工性等方面可能存在的问题，从而更 加有效地组织生产，增强决策与控制水平，缩短产品开发周期，提高产品质量。 目前虚拟制造技术的研究和应用主要侧重于运动仿真、加工模拟、装配检查、 性能评测等方面，其核心技术包括虚拟现实技术、仿真技术、建模技术和可制 造性评价。可制造性评价是在给定的环境信息和制造资源下，确定设计特性( 如 形状、尺寸、公差等) 是否是可制造的及制造的难易程度。 2 虚拟产品开发( v p d ) 虚拟产品开发是实际产品开发过程在计算机上的本质实现，即采用计算机 仿真与虚拟现实技术，在计算机上群组协同工作，实现产品的设计、工艺规划、 加工制造、性能分析、质量检验等。虚拟产品开发源于并行工程( c e ) 思想。 c e 的思想是将现代先进的组织形式跟现代的哲学、文化混合为一体，是对产品 设计及其相关过程进行并行的、一体化设计的一种系统化工作模式。虚拟产品 开发技术从根本上改变了设计、试制、修改设计、规模生产和产品维护的传统 武汉理工大学硕士学位论文 模式，在产品开发的前期即考虑了投资、生产、装配、销售及维修等问题，因 而能够大大提高产品质量，降低产品成本，缩短产品开发周期，提高其市场的 竞争能力。 3 虚拟样机 虚拟样机技术是指在产品设计开发过程中，将分散的零部件设计和分析技 术揉合在一起，在计算机上建造出产品的整体模型，并对该产品在投入使用后 的各种工况进行仿真分析，预测产品的整体性能，进而改进产品设计、提高产 品性能的一种新技术。虚拟样机技术采用了计算机仿真与虚拟技术，在计算机 上通过c a d c a m c a e 等技术把产品的资料集成到个可视化的环境中，实现产 品的仿真、分析。虚拟样机技术强调系统的观点，涉及产品全生命周期，支持 产品的全方位测试、分析与评估，强调不同领域的虚拟化的协同设计。虚拟样 机技术的应用贯串在整个设计过程当中，它可以用在概念设计和方案论证中。 设计师可以把自己的经验与想象结合在计算机内的虚拟样机里，让想象力和创 造力充分发挥。用虚拟样机来代替物理样机验证设计，不但可以提高产品设计 质量和效率，而且大幅度地缩短产品研制周期和费用。目前，世界上使用范围 最广、最负盛名的虚拟样机软件是美国m e c h a n i c a l d y n a m i c s i n c 研制的a d a m s ， 它集建模、求解、可视化技术于一体，能产生复杂机械系统的虚拟样机，真实 地仿真其运动过程，并且可以迅速地分析和比较多种参数方案，直至获得最优 化的工作性能。 1 4 课题研究的目的、意义 纤维缠绕工艺是生产高性能复合材料制品的工艺方法之一，被广泛地应用 于空间技术及民用产品( 如火箭发动机壳体、管道、储罐、压力容器等) 。工 业发达国家已将缠绕成型技术应用于各种具有对称轴线的几何体、组合体和异 形体。f w 加工出来的制品重量轻、防腐蚀、抗疲劳损伤性能好、机械加工少。 纤维缠绕工艺在精度要求高，形状特殊的异形制品和有特殊要求的制品生产中 发挥着重要的作用。缠绕制品的质量与缠绕工艺密切相关，一旦成型，不可再 生，如果产生废品，不仅造成浪费，也不利于环保。将计算机仿真技术应用于 缠绕成型工艺中，模拟其缠绕过程，就可在设计结束后快速、直观地观看模拟 的实际生产过程，及时发现设计中的不足和缺陷，从而大大提高产品设计效率 武汉理工大学硕士学位论文 及合理性，大幅度减少设计成本和设计强度，这样可以大大地缩短设计周期， 降低废品率，提高生产效率及产品质量。 1 5 主要研究内容 本课题的主要研究内容： 1 纤维缠绕规律及线型的分析。 2 纤维缠绕筒形压力容器轨迹及运动规律分析。 3 基于v c + + 与o p e n g l 的仿真系统。， 4 纤维缠绕筒形压力容器动态仿真的实现。 1 2 武汉理工大学硕：七学位论文 第2 章缠绕规律及线型分析 2 1 缠绕规律脚【1 4 】【1 5 】 纤维缠绕工艺主要是制造压力容器和管道，虽然容器形状规格多样，缠绕 形式也千变万化，但任何形式的缠绕都是由芯模与丝嘴作相对运动来完成的。 如果纤维无规则地乱缠，势必出现纤维在：吝模表面离缝重叠，以及纤维滑线不 稳定的现象。显然，这是不能满足产品设计要求和使用要求的，因此，要求芯 模与丝嘴按一定的规律运动，以满足以下两点要求： 1 纤维既不重叠又不离缝，均匀连续缠满芯模表面。 2 纤维在芯模表面位置稳定不打滑。 纤维在芯模表面满足上述条件的排布规律，以及为实现排布规律，丝嘴与 芯模的相对运动关系，就是缠绕规律。为了实现连续而有规律的稳定缠绕，通 常是保证纱束是沿测地线缠绕，所谓测地线是物体表面上两点间的短程线。当 然，由于工艺上需要，考虑纱束与芯模表面存在一定的摩擦力，亦可在偏离测 地线的一定误差范围内实现非测地线缠绕。制品结构形状及尺寸不同，纤维在 芯模表面上的排布规律( 亦叫线型) 也就不同，因而为实现既定的排布规律， 缠绕设备的丝嘴与芯模的相对运动也就不同。不同缠绕线型的实现，通常是以 ：卷模的旋转运动与丝嘴的单坐标( 或多坐标) 直线运动和旋转运动相耦合来完 成的。 2 2 缠绕线型的分类 纤维缠绕线型可分为环向缠绕、平面缠绕和螺旋缠绕三种基本类型。 1 环向缠绕 环向缠绕即纤维沿芯模的圆周方向缠绕，芯模绕自己的轴线做匀速转动， 丝嘴在平行于芯模轴线方向的筒身区间运动。芯模每转一周，丝嘴移动一个纱 片宽度b ( 近似) ，如此循环下去，直至纱片均匀布满芯模筒身段表面为止。环 向缠绕只能在简身段进行，不能缠封头。邻近纱片之间相接而不相交。纤维的 缠绕角通常在8 5 0 9 0 0 之间，布带的缠绕角通常为7 5 0 9 0 0 。环向缠绕参数关 系： 迥墼 w = s d c t g 口 b 。刃o c o s 口 2 平面缠绕 图2 。l 环向缠绕 ( 2 i ) ( 2 2 ) 绕角。 舯：麓瀣獬；z 嘞蛾 q - 3 ) 谜。封= 蒜训删： 武汉理工大学硕士学位论文 3 螺旋缠绕 螺旋缠绕即芯模绕自己轴线匀速转动，丝嘴按特定速度沿芯模轴线方向往 复运动，于是在芯模的筒身和封头上就实：观了螺旋缠绕。螺旋缠绕也称测地线 缠绕，其缠绕角约为1 2 0 7 0 0 。 在螺旋缠绕中，纤维缠绕不仅在圆筒段进行，而且在封头上进行。纤维缠 绕的轨迹是由圆筒段的螺旋线和封头上与极孔相切的空间曲线所组成。缠绕过 程中，纱片若以右旋螺纹缠到芯模上，返回时，则以左旋螺纹缠到芯模上。每 条纤维都对应极孔圆周上的一个切点，相同方向邻近纱片之间相接而不相交， 不同方向的纤维则相交。当纤维均匀缠满芯模表面时，就构成了双层纤维层。 筒身段 图2 - 3 螺旋缠绕 在实际生产中，除上述三种基本缠绕线型外，还采用基本缠绕线型的不同 组合，如螺旋缠绕与环向缠绕的组合，螺旋缠绕与平面缠绕的组合，平面缠绕 与环向缠绕的组合。目前实际生产中用得较多的是螺旋缠绕，螺旋缠绕与环向 缠绕的组合和平面缠绕与环向缠绕的组合。 2 3 缠绕线型分析 2 3 1 纤维在芯模表面均匀布满的条件 1 一个完整循环的概念 螺旋缠绕时，由导丝头引入的纤维自芯模上的某点开始，导丝头经过若干 次往返运动后，又缠回到原来的起始点上。这样，在芯模上所完成的一次( 不 重复) 布线称为“标准线”。完成一个标准线缠绕，称为一个完整循环。要使纤 维均匀缠满芯模表面，需要进行若干个完整循环缠绕才能实现。标准线是反映 武汉理工大学硕士学位论文 缠绕规律的基本线型。标准线的排布形式，包括切点、交叉点，交带及其分布 规律，反映了缠绕纤维的排布规律。 ij 单切点线型两切点线型 图2 - 4 极孔圆上的切点线型 2 一个完整循环缠绕的切点数及分布规律 纤维在芯模表面上的位置直接和纤维在极孔圆周上切点位置有关。在一个 完整循环中，极孔圆周上只有一个点，称为单切点。而在一个完整循环中有两 个以上切点的称为多切点。由于芯模匀速旋转，导丝头每次往返时间又相同， 故在极孔圆周上的各切点等分极孔圆周。单切点与双切点的排布如图2 - 4 所示。 在极孔圆周上，按时间顺序相继出现的两个切点，称为时序相邻的两切点， 它们的相互位置只可能有两种情况，一种是两切点之间密排而不再插入其它切 点，称为两切点位置相邻：另一种是两切点之间还要加入其它切点，称为两切 点位置不相邻。 3 纤维在芯模表面均匀布满的条件 经过若干个完整循环后，要实现纱片一片挨一片地均匀布满整个芯模表面， 要满足下列的两个条件： ( 1 ) 完成一个完整循环的诸切点等分芯模转过的角度，即诸切点均布在极 孔圆周上。 ( 2 ) 相邻的两切点所对应的纱片在筒身段错开的距离等于一个纱片宽度。 2 3 2 缠绕中心角 为使纤维能有规律地布满芯模表面，丝嘴往返一次即出现与起始点时序相 1 6 武汉理工大学硕： 学位论文 邻的切点时，芯模转角见必须满足： 统：( 墨+ n ) 3 6 0 。丝( 2 - 5 ) ”以 式中k 、n 为整数，且k 值应使k n 为最简真分数，n 为极孔处切点数目， e 为微小增量，其值由纱片宽度决定。在选定线型时，应尽量采用切点数较少 的线型，最好选用六切点内线型。 一个完整循环缠绕，即出现与起始切点位置相邻的切点时，芯模转角用0 表 示。丝嘴走一个单程，即单程线缠绕，芯模转角用舅表示。则有： 良= 2 0 , = o 疗 ( 2 6 ) 纤维螺旋缠绕，所以能形成各种切点线型，以及相应在筒身上排布花纹也 不同，都是由于丝嘴往返一次期间芯模转角幺不同所致。由于各种线型都严格 地对应着各自的见值，故线型以导丝头往返一次时芯模旋转的转数来表示： s o = o o 3 6 0 0 ( 2 7 ) 为了叙述方便，微小增量部分暂不考虑，可得： s o = o o 3 6 0 0 = 竺+ ( 2 8 ) 2 3 3 中心角微调量f 1 6 】 一个完整循环缠绕完成时，纱片回到起始位置，为使纱片不重叠地挨着排 列，就要使芯模转过的角度大于或小于一个完整循环的缠绕中心角0 。即给一 个微小增量o ，它由纱片设计宽度决定，a 0 值的确定步骤： 首先根据预定纱片宽度6 ：，求出预定微调中心角： a 0 ，： 垒 3 6 0 0 ( 2 9 ) x d c o s 口 式中：口筒身段缠绕角；d 筒身段直径。 然后将预定微调中心角口代入下式中： g = 薯器也。_ 1 ) 1 沼 式中，聆+ 。为第一切点左位序相邻点时序号，_ 通过下式求得： n ：竺茎!( 2 1 1 ) 武汉理工大学硕士学位论文 式中e 为0 到”的正整数，将e 依次代入上式，首次使盯+ 。为正整数时，此 时的, + ，值即为所求的值。将g 值四舍五入取整，再将取整后的g 值代入( 2 1 0 ) 式，反算实际微调中心角目。根据实际微调中心角口反算实际纱片宽度b 。： 驴嚣加c 。s a ( 2 - 1 2 ) 丝嘴往返一次，中心角微调量为：眈= a o n 小车往返次数： 矽：3 6 0 _ z 。n( 2 一1 3 ) 2 3 。4 转速比 完成一个完整循环缠绕时，芯模的转数与丝嘴往返次数之比称为转速比。 i o = m n ( 2 1 4 ) 考虑速比微调，实际转速比为： i = i o + a i ( 2 1 5 ) 式中：f 实际转速比：矗芯模转数与丝嘴往返次数之比； f 速比微调；m 芯模转数；行丝嘴往返次数。 不同的线型严格对应着不同的转速比，所以定义线型在数值上等于转速比， 即： i o = s o ( 2 1 6 ) ，= i o + a i = s o 州= 0 3 6 0 0 + 等一r 鲁羔 协 a i ：一垒生：!(2-18) 2 n 3 6 0 02 n ；r t d c o s c z 8j f ：墨+ ! ( 2 1 9 ) 门n z d c o s a 式中：n 切点数；b 纱片设计宽度；口缠绕角； 正整数；d 筒身段直径；曰微调中心角。 a 0 0 时，表示纱片滞后，a 0 0 时，表示纱片超前。工艺上为避免滑线， 通常取“一”值。 武汉理工大学硕士学位论文 丝嘴往返一次所用时间： t = i t l 式中：f 转速比；，芯模旋转- - n 所用的时间。 螺旋缠绕一层所用时间 疋= t w 式中：小车往返次数 2 4 线型的设计 2 4 1 芯模转角的计算 ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) 芯模转角对应着固定的线型和转速比，因此缠绕线型的确定，核心是如何 确定芯模转角。对于一定几何尺寸的具体制品，并非所有巩都合适，这是因为 纤维在容器封头曲面上的位置不一定稳定，即可能滑线。从理论上讲，封头缠 绕不滑线的必要条件，是使纤维缠绕在封头曲面的测地线上。这就产生了纤维 有规律均匀布满芯模表面的第三个条件一一纤维位置稳定条件。这个条件要求 缠绕在芯模表面上的每条纤维轨迹都是相应曲面的测地线。 筒身段，任意缠绕角的螺旋线都是测地线。 封头曲面，根据微分几何的克列洛定理，其测地线方程为： s i n 口：一r o ( 2 2 2 ) r 式中：口测地线与封头曲面上子午线夹角；r n 封头极孔圆半径； r 测地线与子午线交点处平行圆半径。 当纤维按测地线轨迹缠绕