铝内胆碳纤维全缠绕高压气瓶的轻量化与长寿命技术研究

摘要

影响高压气瓶使用性能的因素有很多，如旋压收口技术、纤维铺层技术和固溶时效处理等。本文从力学分析、有限元仿真、纤维缠绕和气瓶试验等方面对其进行了研究。
　　首先，提出了一种新的固溶时效制度使本文中设计的铝合金内胆具有良好的性能。此外，在固溶制度不变的条件下，研究不同的时效保温时间对内胆的性能：抗拉强度、屈服强度和延展率的影响。
　　其次，为了消除应力集中导致疲劳破坏这一现象，提出了一种新型制造方法，即预应变技术。在缠绕前，内胆冲入一定压力的空气使其发生膨胀变形；固化和冷却后缓慢放出空气，内胆和复合材料发生剥离，两者间存在一定的间隙。这种方法使内胆受力比较均匀，并降低了纤维的断裂率，提高了气瓶的使用寿命。
　　再次，为了实现高压气瓶轻量化与长寿命的设计目标，提出了两步成型技术。和传统的一步成型技术进行对比，此技术显著减小了自紧压力、节约材料的用量、降低了对设备的要求。并且降低了纤维断裂率、提高了气瓶的寿命。在实践中，主要设计了疲劳和爆破试验对两步成型技术所设计的高压气瓶进行性能验证。
　　最后，提出了一种体外应变测量方法，用于求解并估算内胆实际所受的应力。该方法与理论计算、有限元仿真、以及实物试验相配合，多管齐下，从而大大减少了实验验证次数，缩短了开发周期，节约了成本。

目录

声明

注释表

第一章 绪论

1.1 论文的研究背景与意义

1.2 高压气瓶的研究现状

1.3 本文主要研究内容

第二章 高压气瓶内胆成形技术

2.1 铝内胆的旋压收口技术

2.2 内胆的固溶时效研究

2.3 预应变方法的研究

2.4 本章小结

第三章 气瓶的结构设计与仿真

3.1 薄壁壳体理论

3.2 内胆结构设计

3.3 碳纤维铺层层数与厚度理论计算

3.4 有限元建模

3.5 20MPa气瓶有限元仿真分析

3.6本章小结

第四章 两步成型方法的研究

4.1 两步成型技术

4.2 一步成型结构设计有限元分析

4.3 两步成型结构设计与有限元分析

4.4 本章小结

第五章 高压气瓶试验研究

5.1 概述

5.2 疲劳试验研究分析

5.3 爆破试验研究分析

5.4 体外测量分析

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 工作内容总结

6.2 未来展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文