缠绕张力对复合气瓶内胆应力影响

论文摘要

具有金属内胆和纤维层的复合气瓶以其比强度和比刚度高、抗疲劳性、抗震和密封性能好等诸多优点而被广泛地应用于航天、航空、.汽车、造船、化工、机械、建筑和能源等各个工程领域。随着复合气瓶的广泛应用,复合气瓶进行科学和准确的应力分析不仅有助于气瓶设计和加工工艺的研究,而且有利于气瓶的安全评估。由于有限元方法已成熟的应用于各个工程领域和计算机的计算能力的大幅度提高,有限元法已是研究复合气瓶的重要手段。借助ANSYS有限元分析软件,采用有限元分析方法,对复合气瓶钢制内胆进行力学分析,建立了复合气瓶用于分析缠绕过程中金属内胆的力学模型;利用ANSYS参数化的优势(APDL),对模型的结构尺寸和网格划分、约束条件、求解等进行参数化设计。以外径406mm、壁厚5mm的气瓶金属内胆为研究对象,对环向缠绕的复合气瓶展开以下几方面的研究:(1)对气瓶的边界、接触条件和材料特性以及单元选择进行分析,建立轴对称结构的三维实体有限元模型,并对模型进行验证,结果表明此模型是正确的。(2)将绕带张力转化为对内胆的当量外压力,对气瓶内胆进行分析,采用逐层缠绕的方法,进行计算。结果表明:由缠绕张力对内胆气瓶进行逐层环向缠绕产生了一定预应力,且气瓶内胆的简体的应力状态处于压应力状态:由缠绕张力引起的当量外压P与内胆的应力呈线性关系;碳纤维缠绕层数的增多,内胆的应力增大,且增大的趋势在减小:随纤维缠绕层的增加,内胆应力的增量在逐渐减小。(3)进行预应力复合气瓶进行自紧压力分析,结果表明:自紧压力能够降低工作压力时气瓶内胆的应力水平,从而提高气瓶承载能力;自紧后卸压状态下气瓶内胆和纤维层应力随自紧压力的增大而增大:自紧压力的优化设计可以有效提高气瓶的承载能力;较小的缠绕张力引起的当量外压能够降低工作压力时气瓶内胆应力水平;工作压力下,气瓶纤维层层数的改变,对气瓶内胆应力水平影响较小,但对碳纤维缠绕层的应力水平影响较大。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 文献综述
• 1.1 概述
• 1.2 缠绕气瓶的研究现状和发展趋势
• 1.3 缠绕张力的研究
• 1.4 本文研究的主要目的和主要内容
• 1.4.1 研究目的
• 1.4.2 本论文的研究内容
• 2 复合气瓶的成型工艺及分析方法
• 2.1 张力的产生
• 2.2 缠绕成型工艺
• 2.2.1 干法缠绕成型工艺
• 2.2.2 湿法缠绕成型工艺
• 2.2.3 半干法缠绕成型工艺
• 2.3 复合容器缠绕成型规律
• 2.4 复合材料力学的基本知识
• 2.4.1 复合材料力学基本关系
• 2.4.2 简单层合板的强度理论
• 2.4.3 层合板的刚度
• 2.5 缠绕气瓶的简单网络理论
• 2.5.1 网络理论
• 2.5.2 内压容器筒身段的网络理论
• 3 有限元方法和复合气瓶的有限元
• 3.1 有限元的基本理论
• 3.2 线性有限元法
• 3.2.1 线性本构关系（广义虎克定律）
• 3.2.2 线性几何方程（小变形情况）
• 3.2.3 平衡方程
• 3.3 非线性有限元
• 3.3.1 非线性问题简介
• 3.3.2 材料非线性的原理
• 3.3.3 非线性问题的求解
• 3.3.4 非线性有限元在 ANSYS 的实现
• 3.4 接触分析的原理及分析步骤
• 3.4.1 接触问题的有限元原理
• 3.4.2 接触分析的分析步骤
• 3.5 纤维缠绕复合材料的壳体的有限元分析
• 4 复合气瓶的三维有限元模型的建立及模型验证
• 4.1 纤维缠绕气瓶的三维有限元模型
• 4.1.1 纤维缠绕气瓶的三维结构模型
• 4.1.2 边界、约束条件
• 4.1.3 接触分析条件
• 4.1.4 单元选择
• 4.1.5 材料特性的定义
• 4.2 纤维缠绕气瓶的三维有限元模型的验证
• 4.2.1 基本模型的假设
• 4.2.2 验证模型的解析方法
• 4.2.3 模型及其验证
• 4.3 参数化模型的建立
• 5 缠绕张力对气瓶简体内胆的应力影响
• 5.1 各种当量外压情况下气瓶内胆的各种应力分布
• 5.1.1 当量外压P为0.02寸内胆应力分布
• 5.1.2 当量外压P为0.06时内胆应力分布
• 5.2 各种当量外压情况下的内胆计算数据及分析
• 5.3 小结
• 6 自紧压力的设计及优化
• 6.1 气瓶自紧压力设计的必要性和原理及分析过程
• 6.1.1 气瓶自紧压力的必要性和原理
• 6.1.2 气瓶自紧压力的分析过程及模型约束条件
• 6.2 卸压状态下残余应力结果及分析
• 6.2.1 卸压状态下气瓶内胆的应力分布及分析
• 6.2.2 卸压状态下气瓶碳纤维缠绕层的应力分布及分析
• 6.3 工作压力下的气瓶应力分析及自紧压力的优化
• 6.3.1 工作压力下,气瓶的应力分析
• 6.3.2 自紧压力的优化设计
• 6.4 纤维缠绕层对自紧压力的气瓶的影响
• 6.5 小结
• 7 需继续开展的工作
• 结论
• 参考文献
• 附录A 有限元非线性问题的求解方法
• 附录B 符号说明
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢