具有金属内衬的纤维缠绕压力容器优化设计及分析

摘要

复合材料有别于传统材料，是由两种以及两种以上的材料复合而成。取各个材料之长，从而达到最优的结构性能和强度等[1]。增强材料采用金属和纤维缠绕复合材料，这样不仅能使成本降低，而且其强度也超过一般的复合材料。航空中的基本结构件，工业用机械设备、海洋用的高级结构材料、车辆设计中的驱动轴和弹簧等基础设旌使得混合纤维增强复合材料的试用机会日益增多[4]。具有金属内衬的复合材料压力容器以其显著的特点越来越广泛的在各个领域发挥着作用。
　　本文主要介绍了具有金属内衬的复合材料压力容器，通过对复合材料压力容器的相关知识的了解，在了解理论知识的基础上进行研究。其中包括对其力学性能以及外层纤维缠绕特性的介绍和分析。并且针对某一特定算例的压力容器进行软件模拟计算，求得相应条件下的受力状况并进行分析比较，给出合理的参数设计。最后基于遗传算法对外层纤维的缠绕顺序进行优化，得到一组纤维性能最优的较为理想的纤维缠绕顺序。
　　本文首先运用MATLAB软件计算了在给定内压条件下具有金属内衬的复合材料压力容器的外部复合层的厚度，分别比较了在不同内压、容器半径条件下12种不同缠绕角时厚度的变化规律。当给定的压强，筒身半径一定时，其环向缠绕纤维层的厚度和螺旋向纤维缠绕的厚度随缠绕角不同发生改变，但二者的厚度之和是一定值。纤维缠绕总厚度与初始缠绕角没有关系;随着压强的增大，其所要求的厚度和有所增加。并且在缠绕到一定角度的时候，将出现一个纯的螺旋缠绕厚度;在给定的压强和应力条件下，随着筒身半径的增加所需缠绕的纤维厚度也需要增加。
　　其次，运用ANSYS软件对几种不同缠绕角度的压力容器进行受力分析，通过对给定参数的压力容器进行建模、划分网格、施加约束和边界条件及分析计算，得出几组不同缠绕角度下的压力容器的受力分析结果，通过比较分析几种结果，可以看出:①八层±45°、两层90°的缠绕形式对内衬有更好的保护作用;②其他不同缠绕角度的缠绕形式中，各层中螺旋缠绕层的轴向应力基本接近，环向应力亦基本接近;③随着螺旋缠绕角的增大，即螺旋缠绕角从±15°到±45°变化的过程中，环向应力和轴向应力差别逐渐减小，受力分配逐渐均匀;④在螺旋缠绕层缠绕角不变的情况下，环形缠绕层位于中间时金属内衬与纤维接触面的径向应力大于其位于两端的情况，环向缠绕层位于内侧时径向应力较小。
　　第三，为了获得外层纤维缠绕顺序的最佳结果，本文以筒身变形最小值为目标函数，采用遗传算法进行优化设计，运用MATLAB软件对优化程序进行编码计算分析，计算结果表明:在不设定特定缠绕角度时，[90°2/90°2/0°2/±45°/±60°]缠绕方式即为外层纤维缠绕顺序的最优解。从计算过程中可以看出在目标函数一定的前提下，改变运算中的个别参量对最优解的获得影响不大，设置太小的迭代次数会影响全局最优解的获得。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 复合材料压力容器国内外研究现状

1．2．1 复合材料压力容器的应用和趋势

1．2．2 金属内衬复合材料压力容器的结构特点和特殊性能

1．2．3 金属内衬复合材料压力容器的国内外研究现状

1．2．4 现有研究侧重的几个方面

1．3 本文研究内容

2 复合材料宏观力学分析

2．1 层合板的力学性能

2．1．1 正轴应力--应变关系在单层板的体现

2．1．2 偏轴应力--应变关系在单层板的体现

2．1．3 偏轴应力--应变特性在单层板的体现

2．2 复合材料压力容器筒身的力学性能分析

2．2．1 性能概述

2．2．2 纤维缠绕压力容器筒身分析的网格理论

2．3 复合材料压力容器几种破坏准则

2．3．1 最大应力准则

2．3．2 最大应变准则

2．3．3 蔡-希尔(Tsai-Hill)强度理论

2．3．4 蔡-吴(Tsai-Wu)失效准则

2．3．5 复合纤维层几种强度准则的比较

2．3．6 金属内衬的失效

2．4 本章小结

3 纤维缠绕层力学特性分析

3．1 筒身缠绕的特性

3．2 本章小结

4 有限元分析

4．1 ANSYS模拟复合材料的基础知识

4．1．1 复合材料在ANSYS建模中的模型选择

4．1．2 两种材料模型的接触设置

4．2 算例模型介绍

4．2．1 储氢容器模型简介

4．2．2 材料参数介绍

4．3 建模及结果分析

4．3．1 模型的建立

4．3．2 计算结果及分析

4．4 本章小结

5 基于遗传算法对外层纤维缠绕顺序的优化

5．1 遗传算法概述

5．1．1 遗传算法的基本原理

5．1．2 遗传算法的操作流程

5．1．3 遗传算法的应用关键

5．2 纤维缠绕顺序的遗传算法优化

5．2．1 编码策略

5．2．2 适应度函数

5．3 MATLAB对本问题的实现和求解

5．3．1 程序实现

5．3．2 结果分析

5．4 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．1．1 筒身纤维层的厚度计算

6．1．2 数值模拟不同状态的纤维缠绕

6．1．3 基于遗传算法对外层纤维缠绕顺序的优化

6．2 展望

致谢

参考文献