基于特异航天零件的纤维缠绕线型和建模研究
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摘要
纤维增强塑料是一种具有比强度高、比摸量高、低密度、耐腐蚀等高性能的复合材料，纤维缠绕是一种纤维增强复合材料成型工艺，由于纤维增强塑料的诸多特点，因此它在航空、航天等领域得到了广泛的应用。
本文对航天特异零件建立了数学模型，并在此基础上进行了纤维缠绕的线型设计以及线型的计算机仿真。
本文首先对航天特异零件外形进行数学描述。在对缠绕线型规律进行分析的基础上，对航天特异零件做了分段，每一段以测地线缠绕为基础，做了缠绕线型的分析和设计。此航天特异零件各部分回转轴不是同一直线，因此针对这种特性对斜圆柱段和斜圆柱与球缺端头过渡段的缠绕做了理论上的分析与设计。通过以上分析提出了过渡段和斜圆柱段工艺上的改造方案。
在VC++语言环境下，应用OpenGL图形库对航天特异零件进行建模。将零件的主要几何参数进行参数化，形成通用的零件模型。然后根据线型公式对纤维线型每一点的坐标值求解，进行纤维线型连续仿真。
根据仿真演示的结果可以看到仿真结果与在理论上推导的数学模型相符，故用其来指导实际生产过程有很重要的参考价值。航天零件的纤维缠绕运动分析及其仿真软件的开发将会对非同一回转轴的缠绕课题具有一定的理论和实用价值。
Fiber Reinforce Plastic (FRP) is a kind of composite materials which has high specific intensity, high specific rigidity, low density; excellent corrosion-resistance .Filament winding (FW) is a kind of FRP forming process. FRP is widely used in aeronautics , astronautics and other fields for its merits.
In this paper, a mathematic model is structured for a special part, and a FW pattern is designed based on the model .This pattern is simulated by computer.
Firstly, a mathematic model is established based on studied the feature of this part. This part is divided into several parts after analyzing the geometric shape. Geodesic FW pattern has been designed for each subsection. Since the axis of the part is not on the same line, it may be necessary to amend the part in order to make it ease to produce. The amendable method mostly is the FW pattern in the juncture of fastigiated column and sphere. Secondly, under VC++ language, the part model has been structured call for OpenGL. In the program, the geometric parameter has been defined variable for adapted the parts which has same geometric sharp. The FW pattern has been simulated in the computer.
In the light of the outcome of the simulating, We see the FW pattern according with the mathematics equation. So the simulating FW pattern plays an important role in directing the real FW. The analyzing of FW pattern and developing have greatly theoretic and practical value in the FW search field of the parts which has the same axis.
本文对航天特异零件建立了数学模型，并在此基础上进行了纤维缠绕的线型设计以及线型的计算机仿真。
本文首先对航天特异零件外形进行数学描述。在对缠绕线型规律进行分析的基础上，对航天特异零件做了分段，每一段以测地线缠绕为基础，做了缠绕线型的分析和设计。此航天特异零件各部分回转轴不是同一直线，因此针对这种特性对斜圆柱段和斜圆柱与球缺端头过渡段的缠绕做了理论上的分析与设计。通过以上分析提出了过渡段和斜圆柱段工艺上的改造方案。
在VC++语言环境下，应用OpenGL图形库对航天特异零件进行建模。将零件的主要几何参数进行参数化，形成通用的零件模型。然后根据线型公式对纤维线型每一点的坐标值求解，进行纤维线型连续仿真。
根据仿真演示的结果可以看到仿真结果与在理论上推导的数学模型相符，故用其来指导实际生产过程有很重要的参考价值。航天零件的纤维缠绕运动分析及其仿真软件的开发将会对非同一回转轴的缠绕课题具有一定的理论和实用价值。
Fiber Reinforce Plastic (FRP) is a kind of composite materials which has high specific intensity, high specific rigidity, low density; excellent corrosion-resistance .Filament winding (FW) is a kind of FRP forming process. FRP is widely used in aeronautics , astronautics and other fields for its merits.
In this paper, a mathematic model is structured for a special part, and a FW pattern is designed based on the model .This pattern is simulated by computer.
Firstly, a mathematic model is established based on studied the feature of this part. This part is divided into several parts after analyzing the geometric shape. Geodesic FW pattern has been designed for each subsection. Since the axis of the part is not on the same line, it may be necessary to amend the part in order to make it ease to produce. The amendable method mostly is the FW pattern in the juncture of fastigiated column and sphere. Secondly, under VC++ language, the part model has been structured call for OpenGL. In the program, the geometric parameter has been defined variable for adapted the parts which has same geometric sharp. The FW pattern has been simulated in the computer.
In the light of the outcome of the simulating, We see the FW pattern according with the mathematics equation. So the simulating FW pattern plays an important role in directing the real FW. The analyzing of FW pattern and developing have greatly theoretic and practical value in the FW search field of the parts which has the same axis.
引文
1 王克秀·固体火箭发动机复合材料基础·北京：宇航出版社，1994．12
2 倪礼忠，陈麒·复合材料科学与工程·北京：科学出版社，2002．08
3 孟道骥、梁科·微分几何·北京：科学出版社，1999．1
4 航空工程制造手册编委·航空工程制造手册·北京：航空王程出版社，1996．01
5 和平鸽王作室编著·OpenGL高级编程与可视化系统开发·北京：中国水利水电出版社，2003．1
6 李颖·OpenGL函数与范例解析手册·北京：国防工业出版社，2002．1
7 陈维桓·微分几何初步·北京：北京大学出版社，1990．10
8 钱能·C++程序设计教程·北京：清华大学出版社·1999(4)
9 David J．Kruglinski编著·潘爱民王国印译·Visual C++技术内幕·北京：清华大学出版社，2001(4)
10 乔林 费广正·OpenGL程序设计·北京：清华大学版社，2000(4)
11 廖华奎、王宝富·解析几何教程·北京：科学出版社，2000．8
12 姜作义，张和善·纤维-树脂复合材料技术与应用·北京：中国标准出版社，1990．10
13 Mason Woo, Jackie Neider, Tom Davis, Dave Shreiner 著吴斌、段海波、薛凤武译·北京：中国电力出版社
14 杜志强，刘士华·FRP缠绕成型CAD／CAM系统研究·玻璃钢复合材料·2001．5
15 张吉发，吴耀楚·FW均匀布满条件分析·玻璃钢复合材料，2003，3
16 张跃辉·测地线定义的等价性·辽宁师专学报，1999，3
17 苏红涛，刘华明，路华·非测地线缠绕稳定条件和缠绕工艺性的判别·复合材料学报，1998，5
18 富宏亚，黄开榜，朱方群，韩德东·非测她线稳定缠绕的边界条件及稳定方程·哈尔滨工业大学学报，1996，4
19 刘荣梅，肖军·复合材料弯管缠绕线型设计·南京航空航天大学学报，2003，6
20 孔庆宝·纤维缠绕技术进入新的高速发展阶段．·纤维复合材料,1998，3
21 吕锋、吴皓莹、谢兴同·基于OpenGL的纤维缠绕的三维运动仿真·武汉理工大学学报，2002，9
21 贾延林、富宏亚、路华、柳林冲·基于非测地线理论的回转体缠绕成型的数学模型，字航材料工艺，1997，5
22 李勇，肖军·纤维缠绕的曲面架空分析及其应用·宇航材料工艺，2002年第3期
23 欧裴君·变分法及其应用·西安：陕西科技出版社，1987
24 孟道骥 梁科·微分几何·科学出版社2000
25 吕锋 谢兴同，谢兴同·基于OpenGL的纤维缠绕的三维运动仿真·武汉理工大学学报-2002．24
26 陈汝训·纤维缠绕壳体设计的网络分析方法·固体火箭技术，2003．26
27 张福承·机头雷达罩及其纤维缠绕法·纤维复合材料，2003．．3
28 于宁建 戴云·纤维缠绕玻璃钢管研究与应用新动态·纤维复合材料，1999．12
29 张兴宏 赵珂 陈刚·纤维缠绕壳体的成型工艺·航天工艺，2002，1
30 杜志强 周世双·纤维缠绕线型的计算机铺助设计(CAD)·纤维复合材料，2001，6
31 杨佑发 许绍乾·纤维缠绕圆柱壳前屈曲变形分析·重庆大学学报(自然科学版)，2001，5
32 张福承·纤维缠绕圆柱体端部布线、超长与中心转角研究·纤维复合材料，2001，3
33 邹振强 汪国昭·旋转面计算机辅助缠绕设计中的拟测地线算法·计算机学报，1999，4
34 林大钧·圆柱面上测地线的几种求解方法·华东理工大学学报，1996，12
35 万卉 吴耀楚 胡国明·组合回转体缠绕角及中心角方程·武汉化工学院学报，1999，12
36 蔡长庚 许家瑞·异形纤维复合材料研究进展·纤维复合材料，2003，3
37 F. Henninger and K. Friedrich · Thermoplastic filament winding with online-impregnation. Part A: process technology and operating efficiency·Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2002,11
38 P.Mertiny and F. Ellyin·Influence of the filament winding tension on physical and mechanical properties of reinforced·composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2002, 12
39 McClean Anderson·Retrofits expand filament winding capabilities·Reinforced Plastics, 2001, 11
40 Ali Yousefpour and Mehrdad N. Ghasemi Nejhad·Processing and performance of Nicalon/Blackglas and Nextel/Blackglas using cure-on-the-fly filament winding and preceramic polymer pyrolysis with inactive fillers·Composites Science and Technology, 2001, 13
41 Liyang Zhao, Susan C. Mantell, David Cohen and Reed McPeak·Finite element
modeling of the filament winding process·Composite structures, 2001, 3-4
42 Schlottermuller M.; Lu H.; Roth Y.; Himmel N.; Schledjewski R.; Mitschang P.·Thermal Residual Stress Simulation in Thermoplastic Filament Winding Process·JoumalofThermoplastic Composite Materials, 2003, 6
43 Mobasher, B.; Pivacek, A·Filament winding technique for manufacturing cement based cross-ply laminates·Cement & Concrete Composites, 1998, 5
44 Cohen, D. ·Influence of filament winding parameters on composite vessel quality and strength·Composites-Part A: Applied Science and Manufacturing,1997, 12
45 Chen, Junghui; Jang, Shi-Shang·Optimal Design of Filament Winding Using Neural Network Experiemtal Design Scheme·Journal of Composite Materials,199, 24
2 倪礼忠，陈麒·复合材料科学与工程·北京：科学出版社，2002．08
3 孟道骥、梁科·微分几何·北京：科学出版社，1999．1
4 航空工程制造手册编委·航空工程制造手册·北京：航空王程出版社，1996．01
5 和平鸽王作室编著·OpenGL高级编程与可视化系统开发·北京：中国水利水电出版社，2003．1
6 李颖·OpenGL函数与范例解析手册·北京：国防工业出版社，2002．1
7 陈维桓·微分几何初步·北京：北京大学出版社，1990．10
8 钱能·C++程序设计教程·北京：清华大学出版社·1999(4)
9 David J．Kruglinski编著·潘爱民王国印译·Visual C++技术内幕·北京：清华大学出版社，2001(4)
10 乔林 费广正·OpenGL程序设计·北京：清华大学版社，2000(4)
11 廖华奎、王宝富·解析几何教程·北京：科学出版社，2000．8
12 姜作义，张和善·纤维-树脂复合材料技术与应用·北京：中国标准出版社，1990．10
13 Mason Woo, Jackie Neider, Tom Davis, Dave Shreiner 著吴斌、段海波、薛凤武译·北京：中国电力出版社
14 杜志强，刘士华·FRP缠绕成型CAD／CAM系统研究·玻璃钢复合材料·2001．5
15 张吉发，吴耀楚·FW均匀布满条件分析·玻璃钢复合材料，2003，3
16 张跃辉·测地线定义的等价性·辽宁师专学报，1999，3
17 苏红涛，刘华明，路华·非测地线缠绕稳定条件和缠绕工艺性的判别·复合材料学报，1998，5
18 富宏亚，黄开榜，朱方群，韩德东·非测她线稳定缠绕的边界条件及稳定方程·哈尔滨工业大学学报，1996，4
19 刘荣梅，肖军·复合材料弯管缠绕线型设计·南京航空航天大学学报，2003，6
20 孔庆宝·纤维缠绕技术进入新的高速发展阶段．·纤维复合材料,1998，3
21 吕锋、吴皓莹、谢兴同·基于OpenGL的纤维缠绕的三维运动仿真·武汉理工大学学报，2002，9
21 贾延林、富宏亚、路华、柳林冲·基于非测地线理论的回转体缠绕成型的数学模型，字航材料工艺，1997，5
22 李勇，肖军·纤维缠绕的曲面架空分析及其应用·宇航材料工艺，2002年第3期
23 欧裴君·变分法及其应用·西安：陕西科技出版社，1987
24 孟道骥 梁科·微分几何·科学出版社2000
25 吕锋 谢兴同，谢兴同·基于OpenGL的纤维缠绕的三维运动仿真·武汉理工大学学报-2002．24
26 陈汝训·纤维缠绕壳体设计的网络分析方法·固体火箭技术，2003．26
27 张福承·机头雷达罩及其纤维缠绕法·纤维复合材料，2003．．3
28 于宁建 戴云·纤维缠绕玻璃钢管研究与应用新动态·纤维复合材料，1999．12
29 张兴宏 赵珂 陈刚·纤维缠绕壳体的成型工艺·航天工艺，2002，1
30 杜志强 周世双·纤维缠绕线型的计算机铺助设计(CAD)·纤维复合材料，2001，6
31 杨佑发 许绍乾·纤维缠绕圆柱壳前屈曲变形分析·重庆大学学报(自然科学版)，2001，5
32 张福承·纤维缠绕圆柱体端部布线、超长与中心转角研究·纤维复合材料，2001，3
33 邹振强 汪国昭·旋转面计算机辅助缠绕设计中的拟测地线算法·计算机学报，1999，4
34 林大钧·圆柱面上测地线的几种求解方法·华东理工大学学报，1996，12
35 万卉 吴耀楚 胡国明·组合回转体缠绕角及中心角方程·武汉化工学院学报，1999，12
36 蔡长庚 许家瑞·异形纤维复合材料研究进展·纤维复合材料，2003，3
37 F. Henninger and K. Friedrich · Thermoplastic filament winding with online-impregnation. Part A: process technology and operating efficiency·Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2002,11
38 P.Mertiny and F. Ellyin·Influence of the filament winding tension on physical and mechanical properties of reinforced·composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2002, 12
39 McClean Anderson·Retrofits expand filament winding capabilities·Reinforced Plastics, 2001, 11
40 Ali Yousefpour and Mehrdad N. Ghasemi Nejhad·Processing and performance of Nicalon/Blackglas and Nextel/Blackglas using cure-on-the-fly filament winding and preceramic polymer pyrolysis with inactive fillers·Composites Science and Technology, 2001, 13
41 Liyang Zhao, Susan C. Mantell, David Cohen and Reed McPeak·Finite element
modeling of the filament winding process·Composite structures, 2001, 3-4
42 Schlottermuller M.; Lu H.; Roth Y.; Himmel N.; Schledjewski R.; Mitschang P.·Thermal Residual Stress Simulation in Thermoplastic Filament Winding Process·JoumalofThermoplastic Composite Materials, 2003, 6
43 Mobasher, B.; Pivacek, A·Filament winding technique for manufacturing cement based cross-ply laminates·Cement & Concrete Composites, 1998, 5
44 Cohen, D. ·Influence of filament winding parameters on composite vessel quality and strength·Composites-Part A: Applied Science and Manufacturing,1997, 12
45 Chen, Junghui; Jang, Shi-Shang·Optimal Design of Filament Winding Using Neural Network Experiemtal Design Scheme·Journal of Composite Materials,199, 24