复合材料缠绕压力容器充压过程的热力分析

摘要

复合材料具有比强度和比模量高，热稳定性好等优点，已广泛地应用于航空航天、汽车工业、医学、化工等领域。采用复合材料缠绕的高压容器(COPV)具有轻量化、高强度和安全可靠的特点。
　　航空、航天运载器以及太空中卫星，其驱动，改变方向和精确定位经常是通过复合材料缠绕高压容器喷射气体来实现的，但是，其在加注和卸载过程中，由于温度、压力以及气体充放速度的影响，容器的性能会发生很大的变化，为了保证复合材料高压容器结构稳定性，本文对充压过程中对容器性能影响开展了分析和研究工作。
　　本文首先简述了国内外复合材料缠绕容器设计和热力耦合分析的发展现状。其次介绍了开展此项课题研究的基本理论和分析方法，其中包括:湍流模型方程，瞬态热传导方程，气体状态方程以及结构分析控制方程和相应的有限元分析的表达式。同时给出了流场、温度场、压力场和应力场等多场耦合分析的策略。在此基础上，采用ANSYS中APDL参数化建模功能，成功地对复合材料缠绕压力容器实现了建模，并以一典型容器结构为例，通过Flotran计算得到该容器充压过程中的容器内气体的压力场、温度场和速度场。提取充压过程中的最大温度和压力，加载到容器的1/8有限元模型上，对其进行强度计算，得到容器铝内衬和复合材料层的应力和应变分布云图。结果表明:(1)该容器在充气过程中其温度场和压力场变化均未超过正常使用范围;(2)容器各部分的复合材料缠绕层和铝内衬应力和应变均小于极限应力和应变，说明该容器在充气过程结构未发生破坏，仍可正常使用。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 工程研究背景

1．2 复合材料缠绕压力容器应用发展与设计

1．2．1 复合材料缠绕压力容器的应用与发展

1．2．2 复合材料压力容器设计

1．3 复合材料缠绕压力容器充压热力分析研究现状

1．3．1 国内外试验研究现状

1．3．2 国内外数值仿真研究现状

1．4 本文研究的技术路线和内容

1．4．1 技术路线

1．4．2 本文内容

2 复合材料缠绕压力容器热-力分析的数值模型

2．1 湍流分析

2．1．1 湍动能输运过程

2．1．2 标准k-ε模式模型方程

2．2 温度场及压力场分析

2．2．1 瞬态热传导的温度场

2．2．2 压力场

2．3 结构应力分析

2．3．1 三维正交材料本构表达式

2．3．2 考虑热载的复合材料单层板本构表达式

2．3．3 层合板的刚度矩阵

2．3．4 考虑温度及气压的压力容器应力分析的有限元方程

2．4 本章小结

3 复合材料缠绕气瓶快速充压理论模型及有限元模型建立

3．1 复合材料缠绕容器热力分析理论模型

3．2 APDL语言介绍

3．3 复合材料的建模

3．3．1 单元类型

3．3．2 层的属性

3．4 复合材料缠绕气瓶充压有限元模型的建立

3．4．1 复合材料缠绕气瓶结构简介

3．4．2 复合材料缠绕气瓶充压初始条件

3．4．3 复合材料缠绕气瓶充压有限元模型

3．5 复合材料缠绕压力容器模型有限元分析结果

3．5．1 温度分布

3．5．2 压力分布

3．5．3 速度分布

3．6 本章小结

4 复合材料缠绕气瓶强度分析结果

4．1 复合材料缠绕压力容器有限元模型的建立

4．1．1 金属内衬

4．1．2 复合材料封头段

4．1．3 复合材料直筒段

4．2 边界条件

4．3 复合材料缠绕压力容器模型有限元分析结果

4．3．1 位移分布图

4．3．2 金属内衬应力和应变结果

4．3．3 复合材料层的应力和应变结果

4．3．4 小结

4．4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢