基于响应面方法的复合材料压力容器可靠性分析

摘要

纤维增强复合材料由于具有比强度大，可设计性强等优点，被广泛使用在航空航天压力容器领域，如高压储氧及高压储氢容器等。这些压力容器大部分的工作压强在30-40MPa之间，在对其进行强度校核时，多采用商业有限元分析软件在固定压强载荷下，使用给定的复合材料材料性能参数，计算得出结构整体的力学响应，再采用相应的失效准则判断整体结构是否失效。全缠绕复合材料压力容器由复合材料逐层缠绕固化而成，制造过程由于工艺水平、设备等差别，其材料性能并不是固定不变，而是在均值范围内符合一定的随机分布规律。同时，复合材料压力容器的结构尺寸在实际制造过程中，容器半径，厚度等参数也存在误差。针对构件加工过程中产生的不确定缺陷，工程在强度校核时引入安全系数，为结构设计留出安全裕量。此类传统确定性分析方法虽然可以保证结构的安全性，但在材料使用上会出现性能过剩的情况。因此，传统强度校核方法不能确定复合材料压力容器在存在上述随机因素的情况下，均能满足承载过程中强度要求，预留较大的安全裕度降低了复合材料设计的减重优势。 本学术论文在考虑压力容器材料性能参数等随机性情况下，将可靠度指标引入结构的强度校核过程中，获得复合材料压力容器在不同内压载荷下的可靠度指标。与传统金属材料不同的是，复合材料具有明显的各向异性特点，即材料性能参数在各个方向均不同，导致复合材料压力容器的失效模式较为复杂。本文通过建立代理模型的方式，拟合复合材料压力容器隐式结构功能函数，并采用三维Hashin基体拉伸失效及纤维拉伸失效准则判断复合材料压力容器失效。结合Bucher样本点设计方法，选取结构功能函数拟合样本点，建立复合材料各个性能材料参数与复合材料压力容器失效压强的显式关系，进而通过验算点法（一次二阶矩方法）进行不同压强载荷下的可靠度计算，建立了复合材料压力容器的可靠度分析方法。 本文提出的基于响应面方法的复合材料压力容器可靠性分析方法，在保证可靠度精准度的前提下，与大量抽样的蒙特卡洛方法相比可以显著减少计算时间、提高计算效率。基于上述方法，本文研究了不同材料性能参数及工艺参数与复合材料压力容器失效概率的映射关系，开展了敏感性分析。

目录

声明

1绪论

1.1研究背景和意义

1.2国内外研究进展

1.2.1复合材料可靠性研究进展

1.2.2代理模型研究进展

1.3本论文研究方向及主要内容

2复合材料基础

2.1复合材料相关力学理论

2.1.1各向异性弹性力学基本方程

2.1.2各向异性弹性体应力与应变关系

2.1.3正交各向异性弹性体的应力与应变关系

2.2复合材料失效和强度

2.2.1层合板的强度

2.2.2复合材料结构失效特点

2.2.3层间失效问题

2.2.4复合材料失效准则

2.3小结

3功能函数拟合可靠性分析方法

3.1响应面函数方法

3.1.1引言

3.1.2构造响应面函数

3.2径向基函数方法

3.2.1引言

3.3结构可靠度计算

3.3.1结构功能函数

3.3.2一次二阶矩方法

3.4功能函数拟合结果对比

3.5算例验证

3.5.1材料性能

3.5.2有限元模型

3.5.3响应面函数模型

3.5.4 结果

3.6小结

4基于响应面方法的复合材料高压气瓶可靠度计算

4.1复合材料气瓶可靠度分析

4.1.1分析流程

4.1.2计算结果

4.1.3考虑铺层角度及厚度随机性可靠性计算

4.1.4随机变量敏感性分析

4.2小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

附录

致谢

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