复合材料LNG车载气瓶有限元分析与研究

摘要

近年来，随着国民消费水平的迅速提高以及汽车产业的飞速发展，我国各种类型汽车的保有数量急剧增加，汽车尾气排放已经成为城市环境污染的重要影响因素，因此，液化天然气汽车（LNGV）得到了各地政府的大力推广，取得了较快的发展和应用。液化天然气（LNG）车载气瓶是 LNGV的关键部件，是一种低温绝热压力容器。不锈钢LNG车载气瓶由于结构复杂，质量大以及体积大等因素，不仅极大地增加了汽车整车重量，降低经济性，还限制了其在小型车辆上的应用。而低温复合材料气瓶有利于一体化成型，结构简单，不仅能够大量减少气瓶的部件数量，降低制造成型的复杂程度，还可以大幅减轻自身重量，提高汽车的经济性，具有非常广阔的发展与应用前景。目前，针对复合材料低温力学性能与防渗性能的研究已经较为完善，然而针对气瓶整体结构的设计与分析方面的研究依然较少。因此，本文基于ANSYS软件，针对热力耦合载荷下复合材料LNG车载气瓶进行有限元数值分析与研究，具体研究内容与结果如下：
　　（1）基于ANSYS软件，建立了适用于热力耦合作用下复合材料筒身应力分析的有限元模型，分别针对铺层角度、单层板厚度以及设计分析过程中是否考虑材料性能随温度变化等气瓶性能的影响因素进行研究。结果表明：对低温复合材料气瓶的数值分析，需要考虑材料性能参数随温度变化而改变；对于采用[902/±θ2]S铺层顺序的复合材料LNG车载气瓶，铺层角度θ应取值在10到30范围内；复合材料单层板厚度对热力耦合作用下筒身应力产生的影响较小。然后，结合气瓶实际成型条件，确定了复合材料 LNG车载气瓶的最佳缠绕成型方案。
　　（2）基于Hashin失效准则，分别研究了复合材料 LNG车载气瓶在工作工况，试验工况，仅低温载荷与仅内压载荷等不同工况下应力分布状态。结果表明：最佳缠绕方案的复合材料 LNG车载气瓶无论在工作工况下还是在试验工况下都不会发生基体开裂损伤与纤维断裂破坏，满足工作与设计要求；气瓶的接嘴与封头过渡处以及筒身与封头的过渡处都是应力集中区域，在实际制造成型过程中需要加强；复合材料 LNG车载气瓶的临界损伤压力为4.8Mpa；低温载荷与内压载荷产生的部分周向应力相互抵消，而使气瓶热力耦合载荷下的最大周向应力有所减小。由于限制筒身两端的轴向位移，低温载荷与内压载荷都使气瓶筒身段产生轴向拉应力，两者相互叠加使气瓶热力耦合载荷下的轴向应力变大；低温载荷对气瓶的位移影响较小，而内压载荷是气瓶产生位移的主要影响因素。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究概况

1.3 本文主要研究内容

2 复合材料LNG车载气瓶分析方法

2.1 复合材料LNG车载气瓶及其成型方法

2.2 复合材料力学性能

2.3 复合材料LNG车载气瓶失效分析

2.4 本章小结

3 复合材料LNG车载气瓶性能的影响因素研究

3.1 筒身有限元建模方法

3.2 材料性能随温度变化对分析结果的影响

3.3 铺层角度研究

3.4 单层板厚度研究

3.5 本章小结

4 热力耦合作用下复合材料LNG车载气瓶有限元分析

4.1 复合材料LNG车载气瓶模型建立

4.2 工作工况研究

4.3 试验工况研究

4.4 仅低温载荷与仅内压载荷工况研究

4.5 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