金属内衬纤维缠绕复合材料压力容器强度分析

摘要

纤维缠绕复合材料压力容器通常由金属内衬和外层缠绕的高强度纤维增强复合材料组成。该复合压力容器以其质量轻、强度高和安全可靠等优点已经广泛应用于航空航天、军事及工业领域。在应用范围增广的同时，应当着重研究其基础方面，尤其是带金属内衬复合压力容器的受力状态的数值模拟分析。过去广泛深入地研究各向同性材料的压力容器，而复合材料压力容器有着与他们本质的不同--各向异性。并且具有金属内衬碳纤维缠绕的压力容器结构相比传统结构相当复杂，特别是在封头部分的缠绕。纤维缠绕复合材料压力容器封头部分沿其子午线方向其厚度在不断变化，且任意点的缠绕角度也各不相同。
　　 本文参阅大量文献，研究了具有金属内衬碳纤维缠绕复合容器的结构和制造工艺，并且研究了关于它的经典的力学分析。在此基础上，根据缠绕工艺的实际情况，深入分析复合容器的纤维缠绕特别是封头部分的缠绕，提出了在该类复合容器的每个法向横截面纤维束的通过数相等，利用EXCEL、AUTOCAD、PRO/E等软件结合实例最终建立此类复合容器特别是其封头部分的几何模型。合理假设此类复合容器环向对称，封头部分纤维缠绕层与筒身的纵向缠绕纤维层连续以及各纤维层之间没有相对滑动，且缠绕时没有缝隙等，简化了有限元计算模型。结合工程实例，计算了单向纤维增强复合材料工程常数，探讨了各向异性材料的有限元问题。并且利用ANSYS软件对实例进行了模拟计算，在此过程中，提出了封头部分缠绕角度不同的处理方法。最后，对模拟的实际容器进行了水压试验和爆破试验。爆破试验结果是在容器中部发生爆破，而有限元计算的结果也是在容器中部环向的一周应力最大，故爆破试验证明模型建立是合理的。

目录

文摘

英文文摘

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致谢

1绪论

1.1课题研究的背景和意义

1.1.1复合材料的发展

1.1.2高压储氢用复合材料压力容器

1.1.3航天航空用复合材料压力容器

1.1.4液化气天然气用集装箱和槽车

1.1.5复合材料压力容器的优点

1.2国内外研究现状

1.2.1国外研究现状

1.2.2国内发展现状

1.3复合材料压力容器相关标准

1.3.1纤维缠绕复合材料压力容器标准

1.3.2气瓶标准

1.4强度计算方法概述

1.4.1有限元法的基本思想

1.4.2有限元分析软件ANSYS简介

1.4.3 MIC-MAC复合材料专用计算软件

1.5纤维缠绕复合材料压力容器强度分析的意义

1.6本文研究内容

2金属内衬碳纤维缠绕压力容器结构及制造工艺

2.1金属内衬碳纤维缠绕压力容器结构

2.1.1防撞击保护层

2.1.2纤维外缠绕层

2.1.3纤维缠绕增强层

2.1.4内衬

2.2缠绕工艺基本线型

2.2.1环向缠绕容器

2.2.2纵向缠绕容器

2.2.3螺旋缠绕容器

2.3金属内衬纤维缠绕压力容器的制造工艺

2.3.1内衬制造工艺

2.3.2容器缠绕成型工艺

2.4本章小结

3复合材料力学分析和强度理论

3.1复合材料层合板的力学性能

3.1.1单层板的正轴应力-应变关系

3.1.2单层板的偏轴应力-应变关系

3.2纤维缠绕复合材料压力容器力学分析

3.2.1纤维缠绕压力容器筒身段的网格分析

3.2.2封头的基本方程

3.3纤维增强复合材料的常用强度准则

3.3.1最大应力准则

3.3.2最大应变准则

3.3.3蔡-希尔(Tsai-Hill)强度准则

3.3.4几种强度准则的比较

3.4本章小结

4纤维缠绕复合材料压力容器有限元分析

4.1储氢容器参数

4.2几何模型的建立

4.3单元类型的选取

4.4各向异性材料的刚度矩阵

4.4.1三维正交材料

4.4.2二维的正交材料

4.4.3二维的正交材料的坐标变换

4.5 ANSYS坐标系

4.5.1坐标系简述

4.5.2单向复合材料坐标系

4.6有限元分析模型

4.6.1网格划分

4.6.2单元坐标系的确定

4.7结果与比较

4.8实验

4.9本章小结

5结论与展望

参考文献

附表一 附表一封头几何模型建立各参数计算值

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