碳纤维缠绕复合材料气瓶的有限元数值分析

摘要

碳纤维复合材料具有比强度比模量高、耐高温抗腐蚀等优异性能，在航空航天与民用领域都具有重要和广泛的应用。利用工程上复合材料压力容器结构设计普遍应用的网格理论，进行筒体部分纵向缠绕和环向缠绕的设计；采用层合板理论，运用Tsai-Hill强度准则，进行了强度校核。 借助MSC．Patran/Marc有限元分析软件，分析气瓶材料的弹塑性历程，设计了气瓶的预紧压力。仅考虑内压作用下，参考DOT CFFC标准，对碳纤维缠绕复合气瓶在不同工况下的应力、应变分布进行了有限元数值模拟研究；分析确定了气瓶的最佳预紧压力；探讨了纵向缠绕角对气瓶爆破压力及纤维强度转换率的影响。有限元计算结果表明，气瓶的应变以瓶身中部和肩部两侧的环向处应变最大，而气瓶肩部的变形并不明显。通过合理选择预紧压力，可以有效降低工作压力下气瓶金属内衬材料的应力水平，提高复合材料气瓶的综合性能。 针对随机抽样的气瓶样品，进行了水压和爆破试验测试。试验结果表明，数值计算结果与试验结果基本吻合，容器各项指标均达到规定要求，设计方案合理、可靠。

目录

文摘

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声明

1绪论

1.1纤维缠绕压力容器的基本概述

1.1.1纤维缠绕压力容器内胆材料的选用与比较

1.1.2缠绕层复合材料的选用

1.2复合材料压力容器相关标准

1.3纤维缠绕成型工艺概述

1.3.1缠绕成型工艺的分类

1.3.2缠绕规律的内容和分类

1.4纤维缠绕结构分析基本理论

1.5国内外研究发展现状

1.6本文的主要研究内容

2纤维缠绕壳体的网格分析与结构设计

2.1纤维缠绕圆筒的平衡方程

2.2纤维缠绕圆筒壁厚的确定

2.3纤维缠绕圆筒的爆破压强

2.4考虑封头加强时的圆筒爆破压强

2.5内衬封头的设计

2.6纤维缠绕层的设计

2.7本章小结

3纤维缠绕复合材料强度设计准则与校核

3.1引言

3.2复合材料强度准则

3.2.1最大应力准则

3.2.2最大应变准则

3.2.3 Tsai-Hill准则

3.3强度设计准则校核

3.3.1最大应力准则校核

3.3.2 Tsai-Hill强度准则校核

3.4本章小结

4有限元分析

4.1 MSC.Patran/Marc有限元软件简介

4.2非线性有限元的理论简介

4.2.1非线性结构分析分类

4.2.2弹塑性分析

4.2.3求解方法

4.3有限元模型的建立

4.3.1单元的选用

4.3.2网格的划分

4.3.3载荷及其边界条件加载

4.3.4材料特性的定义

4.4有限元计算结果分析

4.4.1 DOT CFFC标准以及气瓶自紧的必要性

4.4.2应力结果分析

4.5预紧压力处理对压力容器循环疲劳寿命的影响

4.6爆破压力以及爆破失效位置

4.7纵向缠绕角的变化对爆破压力以及纤维强度转换率的影响

4.8本章小结

5复合材料气瓶的试验研究

5.1概述

5.2水压试验

5.3疲劳试验

5.4水压爆破试验

5.5爆破断口分析

5.6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