[发明专利]一种纤维缠绕复合材料壳体封头厚度计算方法

摘要

本发明涉及一种纤维缠绕复合材料壳体封头厚度计算方法，通过求解缠绕角和芯模转角微分方程组，获得了与实际缠绕线型相对应的纤维轨迹。采用测地线偏移方法计算封头段纤维束边线。考虑到封头段曲率半径不断变化，将纤维束分割成多个小段，然后在每一个小段上近似认为测地线偏移角不变化，从而可以在每一个微小段上容易的计算出偏移点，直到计算到边界为止。为了方便数值计算参考线与纤维束边线的交点，将纤维束边线直角坐标转化为极坐标，从而很容易采用线性差值的方法计算参考线与纤维束边线的交点。采用该方法可以计算任意形状封头任意缠绕线性下的封头厚度曲线，从而可以研究缠绕线性对于封头厚度影响规律。

主权项

1.一种纤维缠绕复合材料壳体封头厚度计算方法，其特征在于步骤如下：步骤1：获取壳体封头段缠绕参数缠绕角计算公式如下：式中，λ是滑线系数，α是缠绕角，r是回转截面半径，r'和r”分别是回转截面半径对芯模轴线坐标Z的一阶导数和二阶导数，A是当λ＝0时该方程退化为Clairaut方程，当λ≠0时，求解该方程可以获得非测地线缠绕角沿着芯模轴线方向的变化规律；芯模转角微分方程如下：结合式(1)和式(2)可得芯模转角沿着轴线方向的变化规律；根据芯模转角可以获得缠绕轨迹的三维坐标；步骤2：采用测地线偏移方法计算纤维束边线对封头上纤维束轨迹上每一点采用测地线偏移的方法去计算纤维束的两个边线，芯模表面上的某一纤维束由三条线组成，分别是L_‑1、L₀和L₁，L_‑1、L₀和L₁均是由一系列离散点组成的，L₀代表着纤维束的中线，也就是缠绕纤维在芯模上的轨迹，L_‑1和L₁均代表纤维束的边线；步骤3：提取封头部分纤维束边线经过步骤2之后，可以获得封头部分纤维束边线；由于封头段与筒身段曲率半径不同，因此筒身段纤维束偏移边界线会有一部分溢出到封头段，封头段偏移边界线也会有一部分溢出到筒段；初始化两个数组BC1和BC2分别用于存储封头段两个边线；当与纤维束上升段对应的筒段边线L_‑1溢出封头时，将筒段纤维束边线L_‑1溢出封头部分存储到BC1数组，将封头上升段边线L_‑1存储到BC1数组，将封头段边线L₁除去筒段部分存储于BC2数组；当与纤维束上升段对应的筒段边线L₁溢出封头时，将筒段纤维束边线L₁溢出封头部分存储到BC2数组，将封头上升段边线L₁存储到BC2数组，将封头段边线L_‑1除去筒段部分存储于BC1数组；当与纤维束下降段对应的筒段边线L_‑1溢出封头时，则将封头段L_‑1边线存储于BC2数组，将筒段L_‑1边线溢出于封头部分存储于BC2数组，将封头段L₁边线去除筒段部分存储于BC1数组；当与纤维束下降段对应的筒段边线L₁溢出封头时，则将封头段L₁边线存储于BC1数组，将筒段L₁边线溢出于封头部分存储于BC1数组，将封头段L_‑1边线去除筒段部分存储于BC2数组；步骤4：设置参考线在封头俯视图上设置一系列参考线，并且对每一条参考线进行离散操作；即每一条参考线均由一系列离散的点组成，这样便于后续计算每一个点处的厚度值；步骤5：计算厚度在缠绕过程中，每当纤维束通过封头时，提取该纤维束边线三维坐标数据；将封头段纤维束边线的直角坐标转换成极坐标，确定该极坐标系下的参考线与当前缠绕纤维束的封头边线的交点，将该交点之间的所有点厚度值加1，这样一直重复操作，直到纤维束布满芯模表面，缠绕结束，这样可以获得封头段的厚度分布曲线；步骤6：获取封头厚度分布曲线经过步骤5，可以获得每一条参考线上厚度曲线，取所有厚度分布曲线的平均值作为最终封头厚度值输出。