CFRP缠绕压力容器可靠性研究

论文摘要

碳纤维复合材料（Carbon Fiber Reinforced Plastics,CFRP）具有比强度比模量高、耐高温抗腐蚀等优异性能,在航空航天、海洋军工（如各类战略战术导弹发动机壳体）与民用各领域具有重要和广泛的应用。本研究针对目前CFRP缠绕压力容器采用安全系数法设计不能解决随机性问题,对结构功能的重要影响因素没有科学量化,经济性低等弊端,进行了CFRP缠绕压力容器在缠绕工艺过程中和内压作用下的可靠性研究。制备了碳纤维单向板、碳纤维缠绕NOL环、碳纤维缠绕压力容器,进行了各项力学性能试验与水压爆破试验。对CFRP缠绕压力容器各重要设计变量（单向板弹性常数及其强度、压力容器缠绕工艺参数及几何尺寸）的随机统计特征进行了试验研究,并根据Kolmogorov-Smirnov检验法,获得各设计随机变量的最优概率统计分布。根据结构系统可靠性理论和复合材料结构力学理论,建立了CFRP缠绕压力容器可靠性分析的极限状态方程。在试验基础上,编制了基于MATLAB的Monte Carlo数值模拟软件,实现了CFRP缠绕压力容器可靠性分析与设计。完成压力容器在刚度衰退模式下的失效载荷与失效概率分布,以及各项重要随机变量对失效概率分布影响规律的数值模拟。模拟结果与试验结果基本吻合。在试验基础上,推导出CFRP压力容器的“可靠性安全系数”。它既具可靠性设计的科学性,又具有安全系数设计的方便性。鉴于目前工程上还应用网格理论进行复合材料压力容器的结构设计,本文完成了基于网格理论的CFRP缠绕压力容器可靠性设计。理论计算结果与试验结果基本吻合。CFRP缠绕压力容器成型工艺过程（包括固化制度与缠绕张力制度）控制对制品性能的随机分布影响极为重大,是其不同于金属的独具特点之一。本文采用碳纤维缠绕NOL环（试件）,运用人工神经网络结合遗传算法,对固化制度与缠绕张力制度进行了优化,将工艺过程影响引入CFRP缠绕压力容器可靠性设计中。此外,为确定复合材料强度准则的适用性,本文将应用最广泛的最大应力准则和Tsai-Wu准则,对三种高性能复合材料:T700/E51、E-glass/Epoxy和Kevlar 49/Epoxy制成的单向板和正交铺设层合板的适用性进行了试验与对比分

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 本研究课题的学术背景及研究目的与意义
• 1.2 结构可靠性分析基本理论及研究现状
• 1.2.1 结构可靠性分析基本理论
• 1.2.2 结构可靠性分析概率模型
• 1.2.3 结构可靠性分析基本方法
• 1.3 复合材料结构可靠性设计理论与方法
• 1.3.1 复合材料结构分析基本理论
• 1.3.2 复合材料结构失效模式
• 1.3.3 单向复合材料损伤破坏过程的细观力学可靠性分析
• 1.3.4 复合材料层合板的可靠性分析
• 1.4 复合材料结构可靠性研究现状与进展
• 1.5 本课题的来源及主要研究内容
• 第2章 CFRP 缠绕压力容器基本设计变量随机分布的试验研究
• 2.1 引言
• 2.2 试验准备
• 2.2.1 试件的组分材料
• 2.2.2 试件制备
• 2.3 试验方案
• 2.3.1 单向板性能试验
• 2.3.2 NOL 环性能试验
• 2.3.3 水压爆破试验
• 2.4 单向板试验结果与分析
• 2.4.1 0°方向拉伸与压缩性能
• 2.4.2 90°方向拉伸与压缩性能
• 2.4.3 面内剪切性能
• 2.5 NOL 环拉伸性能试验结果
• 2.6 压力容器爆破压力与环向应变的随机分布
• 2.7 本章小结
• 第3章 CFRP 缠绕工艺过程的优化
• 3.1 引言
• 3.2 固化制度优化
• 3.2.1 人工神经网络建模
• 3.2.2 遗传算法寻优
• 3.3 缠绕张力制度优化
• 3.3.1 人工神经网络建模
• 3.3.2 遗传算法寻优
• 3.4 本章小结
• 第4章 纤维缠绕复合材料强度设计准则
• 4.1 引言
• 4.2 复合材料二向强度准则
• 4.2.1 最大应力准则
• 4.2.2 最大应变准则
• 4.2.3 Tsai-Hill 准则
• 4.2.4 Tsai-Wu 准则
• 4.3 不同纤维增强复合材料的强度准则对比分析
• 4.3.1 不同纤维增强复合材料单向板的强度准则对比
• 4.3.2 不同纤维增强复合材料层合板的强度准则对比
• 4.3.3 强度准则适用性的结论
• 4.4 本章小结
• 第5章 CFRP 缠绕压力容器的可靠性分析与数值模拟
• 5.1 引言
• 5.2 基于Monte Carlo 的CFRP 缠绕压力容器可靠性分析
• 5.2.1 设计随机变量的确定
• 5.2.2 设计随机变量的最优概率统计分布
• 5.2.3 CFRP 缠绕压力容器的单层应力分析
• 5.2.4 建立极限状态方程
• 5.2.5 刚度衰退模型
• 5.2.6 逐层失效应力分析与强度计算
• 5.3 用MATLAB 实现CFRP 缠绕压力容器可靠性分析及其Monte Carlo数值模拟
• 5.3.1 MATLAB 与Monte Carlo 方法相结合的显著优势
• 5.3.2 MATLAB 随机数选取
• 5.3.3 基于MATLAB 的Monte Carlo 数值模拟
• 5.3.4 CFRP 缠绕压力容器失效演变过程与可靠性分析
• 5.4 分析结果与讨论
• 5.4.1 CFRP 缠绕压力容器爆破压力的概率统计分布
• 5.4.2 模拟结果与试验结果的对比分析
• 5.4.3 可靠性分析结果与确定性分析结果的对比分析
• 5.5 爆破压力及失效概率统计分布的影响因素分析
• 5.5.1 主要影响因素的独立分析
• 5.5.2 各影响因素的横向对比分析
• 5.6 CFRP 缠绕压力容器可靠性安全系数的确定
• 5.6.1 传统安全系数的确定
• 5.6.2 可靠性安全系数的确定
• 5.7 基于网格理论的CFRP 缠绕压力容器可靠性设计
• 5.7.1 网格理论
• 5.7.2 基于网格理论的可靠性设计
• 5.8 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明
• 哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书
• 哈尔滨工业大学博士学位涉密论文管理
• 致谢
• 个人简历