机械工程学院梁建国教授课题组在复合材料领域取得新突破

我校机械工程学院黄庆学院士团队梁建国教授课题组在多束纤维同步缠绕领域取得突破，研发了空间分布式多束碳纤维同步缠绕装备并设计了相应控制和仿真优化策略，相继在国际著名学术期刊《International Journal of Mechanical Sciences》（一区top，IF=9.4）以及《Composites Part B: Engineering》（一区top，IF=14.2）上发表题为“Dynamic analysis of fiber oscillators under fractional-order time-delay PD control”与“A process-informed design methodology for optimizing fiber paths in multi-filament wound composite pressure vessels”的研究论文。

团队针对在高速运行和多重外部激励下，碳纤维丝束易发生横向振动的问题，建立了一个包含多束柔性纤维振子的非线性耦合动力学模型，并提出了一种用于振动抑制和稳定性调节的分数阶时滞比例微分（FOPD）控制策略。本研究采用多尺度方法分析了系统的主-超谐耦合共振，并利用Lyapunov理论推导出了稳定性条件。随后，利用快慢变量分离法计算了系统在时滞控制和无时滞控制下的共振特性和幅值增益。此外，还利用Melnikov方法预测了同宿和异宿分岔相关的混沌运动。通过综合仿真，系统地描述了系统在不同参数条件下的共振响应、全局分岔特性、多稳态行为、混沌过渡和安全盆演化。仿真结果表明，所提出的分数阶时滞PD控制器不仅能够有效抑制系统振动，还对参数扰动具有良好的鲁棒性。研究结果还表明，系统参数对动态行为有显著影响，适当的参数调节可以有效抑制不稳定和混沌响应，从而提高设备的运行稳定性。论文通讯署名单位太原理工大学机械工程学院，梁建国教授为通讯作者，2023级硕士生房鑫磊为论文第一作者（DOI: 10.1016/j.ijmecsci.2026.111239）。

针对复合材料压力容器（CPV）制造过程中多丝缠绕（MFW）工艺对纤维路径高精度设计的迫切需求，研究团队创新性提出一种面向多丝缠绕复合材料压力容器的过程驱动设计方法。该方法在有限元层面构建了单元级纤维方向显式建模框架，在制造运动约束下，实现了筒身与穹顶区域纤维角度的空间差异化表征；基于应变能驱动的优化策略，系统调控应变能再分配，并通过平滑连续的取向更新方案，确保了优化结果与缠绕工艺的几何连续性与制造可行性。研究团队基于自主建立的仿真平台，构建了高精度三维有限元模型，采用单层螺旋缠绕结构并结合应变能分析与灵敏度演化方法，系统评估了纤维角度变化对结构刚度与载荷分配的影响。数值分析表明，所提方法能有效改善协同承载性能，提升结构应力均匀性与整体刚度性能。该框架将计算优化与可制造复合材料压力容器设计深度融合，为高性能压力容器的工艺驱动设计提供了全新路径。论文通讯单位为太原理工大学机械工程学院，通讯作者为梁建国教授，2023级博士生黄金博为第一作者（DOI: 10.1016/j.compositesb.2026.113615）。

研究工作获得了国家自然科学基金面上项目、山西省科技重大专项及三晋英才-科技创新领军人才等项目的资助。