(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111586687.8 (22)申请日 2021.12.23 (71)申请人 西安科为智通复合材 料技术有限公 司 地址 710082 陕西省西安市莲湖区大庆路3 号1幢1单 元10612室 (72)发明人 王佳博　张增元　 (74)专利代理 机构 成都智涌知识产权代理事务 所(普通合伙) 51313 代理人 张洪 (51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01) G06F 17/16(2006.01) G06F 113/26(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种碳纤维复合材料缠绕管件扭转刚度设 计及校核方法 (57)摘要 本申请属于复合材料结构设计与分析领域， 特别涉及一种碳纤维复合材料缠绕管件扭转刚 度设计及校核方法。 包括如下几个阶段： (1)数据 准备阶段， 基于复合材料的基本力学性能参数， 结合经典复合材料力学基本原理绘制出虚拟缠 绕管件等效剪切模量Gxy随缠绕角度 ±θ的变化 历程曲线(以下简称剪切模量历程曲线)； (2)刚 度设计阶段， 根据缠绕管件内径、 外径、 长度及扭 转刚度指标等信息， 计算出满足 刚度要求的等效 剪切模量Gxy， 然后反查剪切模量历程曲线， 得到 可用的缠绕角度范围； (3)刚度校核阶段， 根据缠 绕管件内径、 外径、 长度及缠绕角度 ±θ， 查询所 对应的等效剪切模量Gxy， 然后套用扭转刚度计 算公式直接得到该结构在当前缠绕角度下的扭 转刚度。 权利要求书2页 说明书4页 附图2页 CN 114297839 A 2022.04.08 CN 114297839 A 1.一种碳纤维复合材料缠绕管件扭转刚度设计及校核方法， 其特征在于， 包括如下几 个阶段： (1)数据准备阶段， 共分为六个步骤： 步骤一： 准备某种复合材料的基本力学性能参数， 至少包含纵向模量E1,横向模量E2， 面 内泊松比μ12和剪切模量G12； 步骤二： 基于上述基本力学性能参数， 计算出复合材料单向板弹性矩阵Q(该矩阵为复 合材料力学中的基本弹性矩阵， 可参照任意复合材 料力学书籍)， 其中： Q66＝G12， 步骤三： 准备由 ±θ 两种缠绕角度组成的虚拟缠绕管件， 其厚度为h， 如图1所示； 步骤四： 将铺层角度θ值从0 °逐渐增加到90 °， 中间取一系列离散值， 根据经典层压板理 论， 计算出每一个离散角度值所对应的虚拟缠绕管件的面内刚度矩阵A及其逆矩阵S,面内 刚度矩阵A的计算方法可参见复合材料力学书籍， 面内刚度矩阵A及其逆矩阵S的特征在于 均为3×3矩阵； 步骤五： 根据矩阵S计算出每一组虚拟缠 绕管件的等效剪切模 量Gxy， Gxy采用以下 公式计 算； 步骤六： 绘制虚拟缠绕管件等效剪切模量Gxy随缠绕角度 ±θ 的变化历程曲线， 如图2所 示， 其特征在于， 对于一种复合材料都具有一条这样的变化曲线， 该曲线将用于后续的缠绕 管件的快速设计及刚度校核。 (2)刚度设计阶段， 已知缠绕管件扭转刚度WT的指标值 初始内径d、 外径D及管件长 度L， 计算满足刚度要求的缠绕角度， 使得 共由三个步骤： 步骤一： 按照以下公式计算圆管剖面极惯性矩Ip；权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 114297839 A 2步骤二： 按照以下公式计算所需的等效剪切模量 值Gxy： 步骤三： 根据上述求解出的等效剪切模 量Gxy， 查询图2所示的等效剪切模 量Gxy随缠绕角 度±θ 的变化历程曲线， 找到满足要求的缠绕角度即可。 (3)刚度校核阶段， 已知缠绕管件初始内径d、 外径D及管件长度L及缠绕角度 ±θ， 计算 其扭转刚度WT， 共有三个步骤： 步骤一： 按照以下公式计算圆管剖面极惯性矩Ip； 步骤二： 查询图2所示 的等效剪切模量Gxy随缠绕角度 ±θ 的变化历程曲线， 找到缠绕角 度±θ 所对应的等效剪切模量Gxy； 步骤三： 采用以下公式计算缠绕管件的扭转刚度： 2.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料缠绕管件扭转刚度设计及校核方法， 其特征 在于， 所述缠绕管件还 可以采用 ±θ螺旋缠绕( θ≠90 °)及 θ＝90 °环向缠绕的混合缠绕形式， 其等效剪切模 量 由两种铺层各自 的剪切模 量 和 按体积比例Vθ叠加得到， 具 体如下。 3.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料缠绕管件扭转刚度设计及校核方法， 其特征 在于， 所述等效剪切模量Gxy随缠绕角度 ±θ 的变化历程曲线还适用于传统复合材料多角度 铺放层压 板，±θ 为层压板的对称铺 层角度， 如图3所示。 4.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料缠绕管件扭转刚度设计及校核方法， 其特征 在于， 所述的碳纤维复合材 料包含热塑性复合材 料及热固性复合材 料。 5.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料缠绕管件扭转刚度设计及校核方法， 其特征 在于， 针对玻璃纤维增强复合材 料同样具有相似的确定方法。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 114297839 A 3