UHMWPE纤维缠绕复合壳体爆破压力的预测

摘要

纤维缠绕复合材料气瓶因其具有质量轻、负载工作寿命长、安全性好、结构效率高、气密性好、可靠性高等特点而应用范围越来越广。因而对纤维缠绕复合材料气瓶进行结构分析与设计方法的研究具有十分重要的理论价值和工程应用价值。
　　 本文首先介绍了复合材料的弹性理论、强度理论以及纤维缠绕壳体的网格分析与结构分析方法。然后利用有限元软件ANSYS，对不同纤维缠绕复合气瓶进行了有限元分析，预测了它们的爆破压力载荷。在此过程中，探讨了纤维缠绕复合材料气瓶有限元模型的建立，纤维缠绕复合材料气瓶有限元模型的单元选择、实常数的定义、网格划分、边界条件等。通过有限元分析，在同一载荷下得到复合材料气瓶上具有代表性的一组点的应变曲线，观察应变曲线，从中选取三个点做出载荷一应变曲线，找出最大应变点。然后做出环向纤维缠绕复合材料层的这个点在不同载荷下的载荷-应变曲线，根据最大应变准则，预测纤维缠绕复合材料气瓶的爆破压力。借助有限元ANSYS分析软件对不同的纤维缠绕复合气瓶进行爆破压力预测。碳纤维缠绕复合气瓶的爆破压力预测值为100MPa，与已有文献公布的误差约为1％。UHMWPE纤维缠绕铝合金复合材料气瓶的预测值为100MPa，与实际试验值112MPa接近。借助ANSYS有限元分析软件，对不同混杂比UHMWPEF/GF层间混杂NOL环进行接触分析，分析混杂比对其拉伸性能的影响；并得出层间混杂NOL环的临界体积分数。ANSYS分析值与等应变模型计算值及实验值接近。对混杂UHMWPE纤维缠绕铝内衬复合材料气瓶进行了载荷应变分析，预测出其爆破压力为85MPa。