碳纤维—铝合金复合材料气瓶的应力分析与优化设计

论文摘要

本文以1.8L复合材料气瓶为例,采用ANSYS12.0中APDL语言建立起复合材料气瓶的有限元模型,并对封头段、封头与筒身过渡段、封头与极孔过渡段做了变厚度和变角度的处理,使得有限元模型更加接近真实情况。在复合材料气瓶制造过程中,自紧是一项重要工艺,自紧后内胆产生残余压缩应力；当气瓶正常工作时,内胆在工作压力下产生的拉伸应力与预紧后产生的残余压缩应力相迭加,内胆应力降低,外侧纤维应力提高,使得气瓶的应力分布更合理。根据《DOTCFFC》标准,分析了自紧过程和确定了自紧压力的范围；给出了复合气瓶在工作状态下、水压试验状态下和最小爆破压力状态下的内胆MISES应力分布和纤维层的纤维向应力分布,并将自紧和非自紧状态下气瓶的应力状况进行了对比,证明了自紧作用能显著提高气瓶的力学性能。考虑了几何非线性对复合材料气瓶性能的影响以及根据内胆应力值确定了疲劳破坏的位置。本文采用ANSYS中的优化模块对复合材料气瓶进行了优化设计。在优化设计中,以纤维层的体积最小为优化目标函数,以自紧压力、纤维厚度和缠绕角度为设计变量,根据《DOT CFFC》标准规定的各工况下的应力限制范围作为状态变量,采用零阶优化的方法综合考虑自紧压力、纤维厚度以及缠绕角度对各工况应力的影响和复合气瓶纤维层体积的影响；并分析了单个设计变量对复合材料气瓶各工况下的应力的影响。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 复合材料气瓶的研究背景
• 1.2 复合材料气瓶简介
• 1.2.1 复合材料气瓶的特点
• 1.2.2 复合材料气瓶的结构组成
• 1.2.3 复合材料气瓶的成型技术
• 1.2.4 复合材料气瓶的失效方式
• 1.3 国内外研究现状
• 1.4 本课题研究的意义和内容
• 1.4.1 本课题的研究意义
• 1.4.2 本课题的主要研究方法及内容
• 1.5 小结
• 第二章 复合材料气瓶的理论分析
• 2.1 网格理论的基本概念
• 2.2 纤维缠绕压力容器筒身段的网格理论
• 2.2.1 螺旋缠绕型
• 2.2.2 螺旋缠绕加环向缠绕型
• 2.2.3 螺旋缠绕加纵向缠绕型
• 2.2.4 纵向加环向缠绕型
• 2.3 纤维缠绕压力容器封头段的网格理论
• 2.4 复合材料气瓶的设计准则
• 2.5 小结
• 第三章 复合材料气瓶的有限元分析过程
• 3.1 有限元模型
• 3.1.1 单元类型
• 3.1.2 材料属性
• 3.1.3 模型建立与网格划分
• 3.2 边界条件
• 3.3 求解结果
• 3.4 小结
• 第四章 复合材料气瓶的自紧与应力分析
• 4.1 自紧分析
• 4.1.1 施加自紧压力的必要性
• 4.1.2 自紧压力的确定
• 4.2 复合材料气瓶的应力分析
• 4.2.1 应力分析
• 4.2.2 几何非线性的影响
• 4.2.3 疲劳破坏位置分析
• 4.3 小结
• 第五章 复合材料气瓶的结构优化
• 5.1 优化设计的基本概念
• 5.2 复合材料气瓶的优化分析
• 5.2.1 优化模型的建立
• 5.2.2 优化工具及方法
• 5.2.3 优化结果分析
• 5.3 小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 作者和导师简介
• 北京化工大学