纤维缠绕铝内衬复合气瓶的有限元分析

论文摘要

具有金属内衬的全缠绕复合气瓶具有高承压、高疲劳寿命、质轻、耐腐蚀、安全性好等优良性能,已广泛应用于航空航天、建筑、交通等领域。因此对复合气瓶进行力学分析和优化设计具有非常重要的理论意义和工程应用价值。本文基于MSC.Marc有限元平台,以计算机数值模拟为主,与理论分析相结合,较全面的分析了纤维缠绕复合气瓶内衬及复合层的力学性能,并对工艺参数进行优化。主要研究结果如下：以实际工艺过程为基础,建模过程中考虑了封头处缠绕层厚度和沿子午线缠绕角的不断变化,对封头每个单元分别定义了单元厚度及材料主方向,选择八节点六面体单元,对几何突变的地方进行网格细化,从而建立了符合实际的复合气瓶有限元模型。通过对116L复合气瓶的有限元分析,获得了铝内衬在预紧压力、工作压力及爆破压力等条件下的应力应变分布规律,计算了内衬爆破压力与理论计算结果对比误差为2.5%；研究了不同位置、尺寸内衬缺陷对内衬爆破压力、位移、应力及应变分布的影响。结果显示,夹杂周围产生应力集中,夹杂处位移、应力、应变分布不均,夹杂的存在不仅会影响内衬的爆破压力,而且影响到气瓶的使用寿命。分析了两种铺层下复合层的应力分布规律和极限承载能力。铺层二铺层设计较合理,极限承载能力大；研究了长径比和内衬壁厚对气瓶性能的影响,对气瓶进行优化设计。这些结果可为工艺参数的确定和优化设计提供理论依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 纤维缠绕复合气瓶概述
• 1.1.1 纤维缠绕复合气瓶结构
• 1.1.2 纤维缠绕复合气瓶材料
• 1.1.3 纤维缠绕复合气瓶成型工艺
• 1.1.4 国内外研究现状
• 1.2 课题研究的目的和意义
• 1.3 本文的主要研究内容
• 2 复合气瓶分析原理及方法
• 2.1 复合气瓶结构分析原理
• 2.1.1 复合材料的力学特点
• 2.1.2 复合材料力学关系
• 2.1.3 复合材料结构分析
• 2.1.4 复合材料强度准则
• 2.2 复合气瓶分析方法
• 2.2.1 有限元基本理论
• 2.2.2 有限元分析步骤
• 2.2.3 有限元分析软件MSC.MARC简介
• 2.3 本章小结
• 3 纤维缠绕复合气瓶有限元结构设计
• 3.1 几何结构及铺层设置
• 3.2 材料属性
• 3.3 载荷、边界条件
• 3.4 单元选择与网格划分
• 3.5 本章小结
• 4 复合气瓶铝内衬有限元分析
• 4.1 内衬应力应变分析
• 4.2 内衬缺陷分析
• 4.2.1 缺陷设置
• 4.2.2 夹杂对爆破压力的影响
• 4.2.3 柱形段夹杂对位移、应力、应变的影响
• 4.2.4 过渡区夹杂对位移、应力、应变的影响
• 4.3 内衬爆破压力分析
• 4.4 本章小结
• 5 复合气瓶复合层有限元分析
• 5.1 复合层应力应变分析
• 5.1.1 铺层一应力分析
• 5.1.2 铺层二应力分析
• 5.2 复合层极限承载能力分析
• 5.2.1 破坏后的复合材料强度参数
• 5.2.2 铺层一极限承载能力分析
• 5.2.3 铺层二极限承载能力分析
• 5.3 本章小结
• 6 复合气瓶工艺参数对力学性能的影响
• 6.1 长径比对气瓶的影响
• 6.2 内衬壁厚对气瓶的影响
• 6.3 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