碳纤维复合材料缠绕气瓶数值分析

发布时间：2017-04-17 09:01

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【摘要】：全缠绕复合材料气瓶在航空航天、军事和民用领域都有广泛的应用,随着科学技术的发展和进步对复合气瓶使用性能的要求越来越高。复合气瓶制造过程中工艺参数的选择对后期气瓶的使用性能有重要影响。因此为了提高复合气瓶的使用性能,对其主要工艺参数进行优化就显得尤为重要。本文基于ANSYS有限元计算软件,建立了56L和130L复合气瓶的三维有限元计算模型,对影响复合气瓶的疲劳性能和爆破压强的主要工艺参数进行了分析和优化。 计算了不同壁厚的内衬的屈曲压强,以确定不同厚度的内衬在纤维缠绕和固化过程中所能承受的最大外压力。.本文使用温度参数法模拟直筒段纤维张力的施加,并计算了复合材料缠绕层由于纤维张力而作用在内衬上的应力。 对影响复合气瓶疲劳性能的主要工艺参数进行了优化,主要包括自紧压力、内衬厚度和张力制度。计算分析结果表明,当自紧压力为49MPa时56L和130L复合气瓶拥有最优异的疲劳性能和应力状态分布：内衬厚度与疲劳寿命的关系为：在1.1mm-2mm范围内,复合气瓶的疲劳寿命随着内衬厚度的增加而增加,并且接近线性关系：在本文所计算的三种张力制度下,当张力制度为70-0.5N(第一层纤维的张力为70N,之后每层递减0.5N)时复合气瓶表现最高的疲劳寿命。 对影响复合气瓶爆破压强的重要工艺参数进行了计算分析,主要包括张力制度和螺旋缠绕层的切根位置。计算结果表明在本文所计算的三种张力制度下,56L和130L复合气瓶在70-0.5N张力制度下拥有最高的爆破压强,56L复合气瓶为95MPa,而130L复合气瓶为94MPa。螺旋缠绕层的切根位置对复合气瓶的爆破压强没有直接影响,但是当切根过早时,在切根位置会形成应力集中。 以上上计算结果与实验结果吻合的较好,对复合气瓶的生产工艺优化有较大的应用价值。
【关键词】：复合气瓶 内衬 屈曲压强 纤维张力 疲劳寿命 爆破压强
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TB33;TH49
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 1 绪论8-18
• 1.1 复合材料气瓶概述8-9
• 1.2 复合材料气瓶成型过程9-11
• 1.2.1 内衬的成型9-10
• 1.2.2 纤维缠绕成型10-11
• 1.2.3 固化11
• 1.3 复合材料气瓶纤维缠绕规律11-13
• 1.4 影响复合材料气瓶性能的因素13-15
• 1.5 纤维缠绕复合气瓶的研究现状15-16
• 1.6 课题研究的目的和内容16-18
• 1.6.1 研究目的16
• 1.6.2 本文的主要研究内容16-18
• 2 复合气瓶分析理论和方法18-31
• 2.1 复合材料气瓶网格分析方法18-24
• 2.1.1 均衡缠绕18
• 2.1.2 纤维缠绕容器直筒段的网格分析18-20
• 2.1.3 纤维缠绕容器封头段的网格分析20-24
• 2.2 复合气瓶的有限元分析24-31
• 2.2.1 有限元中的非线性24-25
• 2.2.2 非线性有限元在ANSYS中的实现方法25
• 2.2.3 复合材料力学理论25-28
• 2.2.4 复合材料强度理论28-30
• 2.2.5 复合材料在ANSYS中的实现30-31
• 3 复合气瓶的有限元模型31-40
• 3.1 有限元计算软件ANSYS简介31
• 3.2 复合气瓶内衬的几何结构31-32
• 3.3 复合气瓶材料属性的定义32-35
• 3.4 单元类型选择和网格划分35-38
• 3.5 边界条件和载荷设置38-40
• 4 内衬屈曲和缠绕张力的模拟分析40-55
• 4.1 内衬屈曲40-48
• 4.1.1 内衬屈曲模拟计算40-47
• 4.1.2 内衬屈曲实验47-48
• 4.2 纤维张力48-54
• 4.3 本章小结54-55
• 5 复合气瓶疲劳性能的计算分析55-76
• 5.1 自紧压力分析55-65
• 5.1.1 自紧压力对内衬应力分布和疲劳寿命的影响55-63
• 5.1.2 疲劳塑性应变幅和疲劳曲线分析63-65
• 5.2 内衬厚度对复合气瓶疲劳寿命的影响65-68
• 5.3 纤维张力对复合气瓶疲劳寿命的影响68-75
• 5.4 本章小结75-76
• 6 气瓶复合材料层开裂和爆破压强的计算分析76-84
• 6.1 复合材料层开裂的压强76-77
• 6.2 缠绕张力对复合气瓶爆破压强的影响77-82
• 6.2.1 爆破压力计算77-81
• 6.2.2 复合气瓶爆破实验81-82
• 6.3 螺旋缠绕层的切根位置对气瓶爆破压力的影响82-83
• 6.4 本章小结83-84
• 结论84-85
• 参考文献85-88
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况88-89
• 致谢89-90

【参考文献】

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本文编号：312849