(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 202111597502.3 (22)申请日 2021.12.24 (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 30/10(2020.01) 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高 效估算方法 (57)摘要 本申请属于复合材料结构设计与分析领域， 涉及一种缠绕管件扭转刚度高效估算方法。 该方 法使用纵向模量E1作为唯一输入参数确定纵向 变换系数， 通过线性缩放得到材料的等效总模量 Etotal； 根据缠绕管件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， 通过计 算Gxy与Etotal的比值， 得到等效剪切模量变换系 数K2， 进而得到缠绕角度范围； 校核阶段通过计 算K2与Etotal的乘积得到Gxy， 最后套用扭转刚度 计算公式直接得到该结构在当前缠绕角度下的 扭转刚度。 该方法避免了刚度计算中的大量矩阵 运算， 仅需要 一个材料常数， 方便快捷， 误差 范围 可接受。 权利要求书2页 说明书4页 附图2页 CN 114297842 A 2022.04.08 CN 114297842 A 1.一种碳纤维复合材料缠绕管件扭转刚度高效估算方法， 其特征在于， 包括如下几个 阶段： (1)第一阶段： 数据准备阶段， 共有三个步骤。 步骤一： 准备某种正交各向异性复合材料的基本力学性能参数——纵向模量E1， 作为后 续分析的唯一材 料性能参数； 步骤二： 根据纵向模量E1的范围， 通过查询表1得到纵向变换系数 K1。 步骤三： 按照以下公式计算材 料的等效总模量Etotal； 表1是不同纵向模量E1对应的纵向变换系数 K1取值 纵向模量E1纵向变换系数 K1 100Gpa～15 0Gpa 0.87 150Gpa～200Gpa 0.89 200Gpa～250Gpa 0.93 >300Gpa 0.95 (2)第二阶段： 刚度设计阶段， 如图1所示的缠绕管件， 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， 设计满足刚度要求的缠绕角度， 使得 共 有四个步骤。 步骤一： 按照以下公式计算圆管剖面极惯性矩Ip； 步骤二： 根据扭转刚度计算所需的等效剪切模量 值Gxy： 步骤三： 采用以下公式计算 等效剪切模量变换系数 K2； 步骤四： 根据上述求解出的等效剪切模量变换系数K2， 查询图2所示的不同等级碳纤维 复合材料等效剪切模量变换系数K2随缠绕角 度±θ 的变化历程曲线， 找到满足要求的等效 剪切模量变换系数 K2所对应的缠绕角度即可。 (3)第三阶段： 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， 共有四个步骤。 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 114297842 A 2步骤二： 查询图2所示的不同等级碳纤维 复合材料等效剪切模量变 换系数K2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变换系数 K2； 步骤三： 采用以下公式估算该圆管缠绕角度 ±θ情况下的等效剪切模量Gxy。 Gxy＝K2Etotal 步骤四： 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高效估算方法， 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高效估算方法， 其特征在 于， 所述等效剪切模量变换系数K2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高效估算方法， 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。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 114297842 A 3