复合材料压力容器热力耦合应力分析

发布时间：2017-04-17 10:23

  本文关键词：复合材料压力容器热力耦合应力分析，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：压力容器是一种可能引起爆炸或中毒等危害性较大事故的特种设备,其设计、制造、检验与验收需要严格依照相关标准。目前,现行的压力容器规范规定压力容器材料不能存在各向不均匀性,大多将容器器壁简化为均匀受力的薄膜进行强度计算,以薄膜应力来描述整个容器的应力水平。然而,对于非均匀的复合材料压力容器,如复合钢板压力容器、纤维缠绕压力容器和功能梯度材料涂层压力容器,原则上上述设计方法已不再适用,生产中多采用以牺牲成本(材料)换安全的简化方法。因此,对于这三类新型复合材料压力容器热力耦合力学行为及结构强度设计方法研究迫在眉睫。 为此,本文提出对复合钢板压力容器、纤维缠绕压力容器、功能梯度材料涂层压力容器这三类典型复合材料压力容器在热力耦合力学作用下应力进行研究,并基于有限元数值技术分别建立了该三类容器数值模型加以验证理论模型准确性。最后,对这三类压力容器结构受力特点进行了详细讨论和优化,旨在为今后这类新型复合材料压力容器的规范设计提供有力的理论依据和技术支持。其主要研究工作如下： (1)通过创新性引入一个轴向挤压力,推导了多层复合钢板压力容器在热力耦合作用下三向应力计算一般表达式,并基于有限元方法建立该多层复合钢板压力容器数值模型,验证了理论推导结果的正确性。另外,在数值解的基础上,对复合钢板压力容器应力分布特性进行了详细讨论。研究发现,对于多层结构容器,在温度载荷作用下,出现轴向应力大于环向应力的情况,有别于常规容器应力分布,另外多层容器边缘应力同样具有局部性,峰值应力影响范围与常规容器相当。 (2)基于线弹性和小应变理论,考虑各项同性传热条件下,对含金属内衬纤维缠绕压力容器在热力耦合作用下的三向应力进行了理论推导,并基于有限元数值建模方法验证了理论推导的正确性。另外,考虑到自增强工艺需要,基于有限元方法建立了含金属内衬纤维缠绕压力容器的弹塑性数值模型,分别计算了在预紧压力、卸载零压力以及工作压力三种工况下的应力。结果表明：预紧处理可以显著改善工作载荷下纤维层的应力分布,充分发挥复合材料高强度的特点,提高压力容器的强度和抗疲劳性能。 (3)通过引入功能梯度材料幂函数物性参数模型和变系数微分方程的Euler法,对含功能梯度材料涂层压力容器在热力耦合作用下的三向应力进行了理论推导,通过联立物理方程、几何方程、平衡方程和边界条件得到三向应力解析解,并基于有限元方法建立功能梯度材料涂层压力容器在热力耦合作用下数值模型,数值解验证了理论推导结果正确性。最后,在数值解的基础上,讨论功能梯度材料涂层的界面效应和耐热性能,结果表明：功能梯度材料可以有效的消除多层结构压力容器界面应力突变,显著提升了压力容器的承载性能。
【关键词】：压力容器 复合材料 热力耦合分析 纤维缠绕 有限元
【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】：TH49
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 引言11-12
• 1 绪论12-21
• 1.1 压力容器发展概况12-13
• 1.2 复合材料压力容器13-16
• 1.2.1 复合钢板压力容器13-14
• 1.2.2 纤维缠绕压力容器14-15
• 1.2.3 功能梯度材料压力容器15-16
• 1.3 复合材料压力容器结构应力分析研究现状16-19
• 1.3.1 复合钢板压力容器结构应力分析现状16
• 1.3.2 纤维缠绕压力容器结构应力分析现状16-17
• 1.3.3 功能梯度压力容器结构应力分析现状17-19
• 1.4 问题提出与研究内容19-21
• 1.4.1 问题提出19
• 1.4.2 本文主要研究内容19-21
• 2 复合钢板压力容器热力耦合应力分析21-36
• 2.1 复合钢板压力容器结构应力计算问题分析21
• 2.2 复合钢板压力容器筒体应力推导21-29
• 2.2.1 问题解决方案21-23
• 2.2.2 稳态传热方程23-24
• 2.2.3 基本方程24
• 2.2.4 边界条件24-28
• 2.2.5 应力计算式28-29
• 2.3 复合钢板压力容器半球型封头应力推导29-30
• 2.3.1 基本方程29
• 2.3.2 边界条件29-30
• 2.3.3 应力计算公式30
• 2.4 理论公式的数值验证30-35
• 2.4.1 多层复合钢板压力容器有限元建模30-32
• 2.4.2 结果验证32-33
• 2.4.3 结果讨论与分析33-35
• 2.5 本章小结35-36
• 3 纤维缠绕压力容器热力耦合应力分析36-57
• 3.1 纤维缠绕结构强度设计准则36-38
• 3.1.1 纤维缠绕压力容器的预紧处理技术36-37
• 3.1.2 纤维缠绕结构的强度准则37-38
• 3.2 ANSYS结构非线性分析38-42
• 3.2.1 结构非线性38-39
• 3.2.2 弹塑性分析39-40
• 3.2.3 ANSYS非线性分析40-42
• 3.3 纤维缠绕压力容器筒体热力耦合弹性解析解的推导42-50
• 3.3.1 各项同性传热模型42
• 3.3.2 基本方程42-46
• 3.3.3 边界条件和解析解46-47
• 3.3.4 论公式数值验证47-50
• 3.4 纤维缠绕压力容器弹塑性有限元建模50-56
• 3.4.1 有限元建模50-53
• 3.4.2 结果分析与讨论53-56
• 3.5 本章小结56-57
• 4 功能梯度涂层压力容器热力耦合应力分析57-72
• 4.1 功能梯度材料物性分布模型57-59
• 4.1.1 材料模型57
• 4.1.2 温度分布模型57-58
• 4.1.3 功能梯度涂层压力容器结构示意图58-59
• 4.2 功能梯度涂层压力容器筒体应力推导59-63
• 4.2.1 在内压和温度载荷下基本方程59-60
• 4.2.2 三向应力推导60-61
• 4.2.3 边界条件和解析解61-63
• 4.3 功能梯度涂层压力容器半球型封头应力推导63-65
• 4.3.1 在内压和温度载荷下基本方程63
• 4.3.2 三向应力推导63-64
• 4.3.3 边界条件和解析解64-65
• 4.4 理论公式数值验证65-70
• 4.4.1 有限元建模65-67
• 4.4.2 结果验证67-68
• 4.4.3 结果分析与讨论68-70
• 4.5 本章小结70-72
• 5 结论与展望72-74
• 5.1 研究工作总结72-73
• 5.2 今后研究展望73-74
• 参考文献74-79
• 附录A 矩阵系数79-83
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况83-84
• 致谢84-85

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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本文编号：313025