碳纤维复合材料壳体的爆破试验和有限元分析

摘要

由于碳纤维复合材料具有比强度高、比模量高、耐腐蚀、耐高温等特点,使其在航空领域、兵工领域和民用工业上得到了广泛的发展。但是我国复合材料压力容器起步较晚,并且主要应用在航天和兵工领域,所以民用工业领域的发展还较慢,现阶段国内仅有两家公司批准生产复合材料高压气瓶。近年来由于能源紧缺,清洁能源天然气汽车的剧增,这就使得比强度高、比模量高的复合材料压力容器得到重视。本文研究主要内容为碳纤维缠绕复合材料压力容器的爆破试验及有限元分析。
　　本文通过查阅复合材料经典力学和复合材料结构力学及大量文献,结合碳纤维复合材料T700的力学性能,利用纤维缠绕壳体设计的网格分析方法,计算出纤维缠绕压力容器纤维缠绕筒体圆筒壁厚和缠绕角度。根据计算出的数据合理设置纤维复合材料铺层方案,并依此初步建立碳纤维缠绕压力容器模型,应用已测定的工艺条件对压力容器实施爆破试验,并利用ANSYS有限元软件对碳纤维缠绕压力容器筒体及封头进行建模,由于复合材料压力容器封头建模较为困难,本文中提出几点假设来简化模型。建模后完成划分网格、施加约束和载荷等步骤,经过计算得到复合材料压力容器筒体及封头的应力结果。本文还对壳体分别受28MPa,30MPa,32MPa,36MPa内压作用下的模型进行分析,以便同壳体爆破试验作对比,讨论ANSYS模型分析与实际爆破试验存在的差异。
　　在相同设计条件下(壳体尺寸、载荷和网格划分均相同),本文设计四种铺层方案。利用ANSYS有限元软件分别对模型上半部分进行分析。对比分析结果,讨论缠绕角的改变对于纤维缠绕压力容器应力变化的影响。并从中得到实际工程中较为合理的铺层方式,从而减少生产试验中不必要的浪费。

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第一章 绪论

1.1复合材料简介

1.1.1复合材料的定义

1.1.2复合材料的分类

1.2复合材料研究现状及发展

1.2.1复合材料在航天工业中的应用

1.2.2复合材料在压力容器中的应用

1.2.3复合材料在民用工业上的应用

1.2.4复合材料的发展历史

1.3本课题研究的意义与内容

第二章 复合材料力学理论基础

2.1各向异性弹性力学基础

2.1.1各向异性弹性力学基本方程

2.1.2各向异性弹性体的应力-应变关系

2.2复合材料的力学分析模型

2.2.1单层材料

2.2.2叠层材料

2.3弹性常数的坐标

2.4复合材料层壳的力学理论分析

2.4.1圆柱壳分析

2.4.2复合材料结构力学问题和求解方法

2.5复合材料失效准则

2.5.1最大应力与应变准则

2.5.2蔡-希尔（Tsai-Hill）理论和霍夫曼（Hoffman criterion）理论

2.5.3Tasi-Wu张量理论（Tsai-Wu tensor theory）

2.6复合材料结构的力学分析

2.6.1复合材料结构有限位移法

2.6.2有限位移法的基本步骤

第三章 碳纤维缠绕复合材料壳体计算及爆破试验

3.1碳纤维缠绕壳体基本参数

3.2壳体设计

3.3壳体试验

第四章 应用ANSYS有限元软件仿真分析

4.1ANSYS软件及有限元方法介绍

4.2碳纤维缠绕压力容器模型仿真计算

4.2.1模型建立

4.2.2材料属性定义

4.2.3单元网格划分

4.2.4仿真结果分析

4.2.5变换复材料缠绕层排列方案模拟及分析

第五章 结果与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表学术论文情况