金属内衬复合材料气瓶承载能力研究

摘要

解决车用燃气气瓶的安全性能，对于燃气汽车的推广使用，减少大气污染，提高生活质量，有着重要的社会和经济意义。采用金属内衬的复合材料气瓶，对减少汽车自重，提高发动机有效功率非常有利。因此研究金属内衬复合材料气瓶的承载能力对天然气气瓶的设计和使用具有重要的现实指导意义。
　　本文通过数学解析法和有限元方法分别对铝合金和镍钛合金两种内衬的复合材料气瓶进行了承载能力的研究。
　　对具有铝内衬的纤维缠绕气瓶，欲提高其承载能力和使用寿命，增加内衬的弹性变形范围是最有效的方式。所以本文采用了自增强处理提高铝内衬弹性变形范围的方法来提高气瓶的承载能力。根据三维弹塑性理论、屈曲理论和强度理论，研究了最佳预压力的求解方法以及承载能力的提高情况。结果表明，通过对铝内衬复合材料气瓶施加预压力使内衬达到最佳塑性状态，可以显著提高气瓶的极限承载能力。
　　镍钛合金具有超弹性和形状记忆效应，将其用作复合材料气瓶的内衬能使气瓶具有较高的承载能力。通过有限元方法对镍钛合金内衬的复合材料气瓶进行了结构分析，研究了气瓶在载荷作用下的应力分布情况，并对有限元结果进行研究，分析了气瓶的承载能力。
　　通过上面的工作可以得出：对铝内衬施加预压力，无须改变气瓶的几何尺寸就能提高气瓶的极限工作压力；镍钛合金内衬复合材料气瓶不用预处理就具有较高的承载能力，只是这种气瓶的成本目前还比较高，现在应用较少。

目录

金属内衬复合材料气瓶承载能力研究

RESEARCH ON THE LOAD-CARRYING CAPACITY OF COMPOSITE VESSELS WITH INNER METAL LINING

摘 要

Abstract

第1章 绪论

1.1 本文研究目的和意义

1.2 复合材料气瓶的研究概况及分析

1.2.1 复合材料气瓶的结构类型

1.2.2 复合材料气瓶的研究现状及分析

1.3 本文研究内容

第2章 铝内衬气瓶的弹性分析

2.1 引言

2.2 坐标系及假设条件

2.2.1 坐标系

2.2.2 假设条件

2.3 三维弹性力学特性分析

2.3.1 内衬层的应力分析

2.3.2 纤维层的应力分析

2.3.3 偏轴刚度的推导

2.3.4 弹性状态下力学特性的求解

2.4 算例分析及讨论

2.5 本章小结

第3章 铝内衬气瓶的塑性分析

3.1 引言

3.2 简化力学模型

3.2.1 关于材料性质的基本假设

3.2.2 应力-应变曲线的简化

3.3 三维塑性力学特性分析

3.3.1 内衬层的塑性应力分析

3.3.2 塑性状态下力学特性的求解

3.3.3 算例及分析

3.4 本章小结

第4章 复合材料气瓶的自增强研究

4.1 引言

4.2 残余应力的产生及求解

4.3 气瓶的自增强研究

4.3.1 卸载时残余位移与压力 的关系

4.3.2 气瓶的屈曲分析

4.3.3 最佳预压力的求解

4.4 强度校核

4.5 本章小结

第5章 镍钛合金内衬的研究

5.1 引言

5.2 镍钛合金的基本性能描述

5.3 镍钛合金材料本构关系模型

5.4 镍钛合金内衬气瓶的结构分析

5.4.1 镍钛合金的有限元模型

5.4.2 有限元模型的验证

5.4.3 气瓶的有限元分析

5.5 本章小结

结 论

参考文献

附录1 刚度系数与工程常数的关系

附录2 弹性极限载荷及其待定系数的求解

附录3 塑性工作压力下的待定系数

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致 谢