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专利号: 2021110197514
申请人: 江苏科技大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-03-02
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种复合材料立管缠绕工艺的参数设计方法,其特征在于,包括如下步骤:S1:通过初步设置好的复合材料立管缠绕工艺参数,制备复合材料缠绕立管;

S2:对复合材料立管进行残余应力检测,并利用虚拟样本生成技术构建大样本数据;

S3:基于大样本数据,构建残余应力模型;

S4:根据构建好的残余应力模型以及基于层合板理论的复合材料立管应力模型,构建复合材料立管总应力模型;

S5:根据复合材料立管总应力模型,利用寻优算法,在缠绕工艺参数域内获取满足复合材料性能要求的工艺参数;

所述步骤S2中残余应力检测的方法为:

针对完全固化后的复合材料立管,采用超声应力仪对复合材料缠绕层内部的应力进行检测,获得复合材料的环向应力分布数据点,采用如下多项式对应力分布进行拟合:2

σ=a+bx+cx (1)

其中,x为缠绕层对应的相对内衬外表面的距离;a、b及c为待确定的系数;

通过数据拟合获得待定系数a,b,c,即确定了对应缠绕工艺参数(F,T,t)下的环向应力分布函数;

所述步骤S2中大样本数据的构建方法为:

B1:将缠绕张力F,缠绕温度T及固化时间t实验变量作为输入,将拟合残余应力的待定系数a,b,c作为输出;基于实验获得的小样本,估计出变量的样本域,并获得样本分布为MF,其中,IQR=Q3‑Q1

其中,Q3与Q1为输入变量的范围,min及max为最小与最大观测值,Me为中心位置;

B2:计算趋势相似性,计算方法如下:

选取两个参数Xp和Xq进行计算,其中Xp为输入变量,Xq为任意参数,Xp和Xq之间第i个观测值的趋势评估函数g(i)p,q为:Xp和Xq之间的相似度计算为所有可用观测值的平均值:B3:根据步骤B2获得的值g(i)p,q,预测一个区间以产生一个虚拟值:首先随机选取νxp的值,然后产生vXq,从U(LXp,UXp)中随机选择一个临时值tv,并计算MFXp(tv),随后从U(0,1)中选择一个随机种子rs评估tv是否可以保留为虚拟值νxp;其次,计算rs的累积分布函数值F(rs)的累积概率,当rs小于MFXp(tv)时,tv将可以保留为vXp,否则,tv将被丢弃,具体为:可产生的预测区间 为:

其中,变量偏置为

θp,q=‑0.8×|Sp,q|+0.9

B4:将获得区间临界值带入如下公式(8),获得vXp对应的虚拟样本vXq,所述步骤S3中残余应力模型的构建方法为:基于虚拟样本及实验获得的样本数据,采用深度神经网络算法构建缠绕张力F,缠绕温度T,固化时间t,与输出变量a,b,c的黑箱模型;其中,对获取的大样本数据采用归一化处理,继而采用深度神经网络算法对样本进行训练,训练合格后,则获得缠绕工艺参数与残余应力多项式系数间的系数,则进一步采用环向应力公式(1)获得应力分布函数σ1(F,T,t,x);

所述步骤S4中基于层合板理论的复合材料立管应力模型的构建方法为:首先,基于复合材料经典层合板理论,获得复合材料立管在偏轴坐标系下的位移通解形式为,其中,ur为径向位移,k表示层数位置,r表示径向位置,ε0为轴向应变对应的常数,γ0代(k) (k)表单位长度的扭转,A 与B 为待定未知系数;

其次,根据复合材料单向材料在正轴与偏轴间的转换关系:(k) (k) (k)

其中,[Tσ] 与[Tε] 代表刚度转换矩阵,[C] 是正轴刚度;

以及边界条件:

内外表面应力条件:

其中,P0为内表面作用的压力,σ表示应力,r表示径向方向,r0表示第一层内表面,rN表示第N层外表面;

内部各层位移及应力连续条件:

力及力矩平衡条件:

其中,F表示轴向力,M表示弯矩;

所述步骤S4中复合材料立管总应力模型的构建方法为:求解复合材料立管应力模型中所有方程组成的方程组,即可获得位移公式对应的各层系数,继而根据位移应力关系式,获得主应力方向上的复合材料立管各层的环向应力分布σ2(x);

复合材料立管总应力模型表示为:

σ=σ1(F,T,t,x)+σ2(x) (14)其中,σ为考虑残余应力下的复合材料立管环向应力;

所述步骤S5中满足复合材料性能要求的工艺参数的获取方法为:C1:设置寻优算法初始值,包括粒子群进化次数、粒子初始更新速度、学习因子、种群规模;

C2:以获得的环向残余应力延深度方向的波动值为适度函数,具体波动值计算公式如下:C3:通过寻优算法进行交叉、变异处理,不断循环,最终获取波动值为最小值时的缠绕张力、缠绕温度及固化时间。

2.根据权利要求1所述的一种复合材料立管缠绕工艺的参数设计方法,其特征在于,所述步骤S1中复合材料缠绕立管包括金属内衬和复合材料缠绕层,复合材料缠绕立管的制备方法为:A1:首先对金属内衬进行机械加工处理,并对金属内衬表面进行喷砂处理,再进行水洗去除杂质并完全烘干;其次,对烘干后的金属内衬表面进行二次酸洗处理,酸洗后经水洗并烘干处理;最后,在金属内衬表面涂覆热固性粘结剂;

A2:利用复合材料缠绕机,缠绕形式采用干法/湿法缠绕,对预制的预浸料丝束施加缠绕张力F、缠绕温度T,并采用螺旋缠绕使复合材料立管具有正交对称结构形式,缠绕完成后形成复合材料缠绕层,复合材料立管经固化后得到复合材料缠绕立管。

3.根据权利要求2所述的一种复合材料立管缠绕工艺的参数设计方法,其特征在于,所述步骤A2中复合材料缠绕层采用热固性环氧树脂,纤维为单向碳纤维。