全缠绕复合气瓶有限元分析和优化设计

论文摘要

采用复合材料制成的全缠绕复合气瓶主要应用于氢燃料电池汽车高压储氢容器、呼吸器及车用压缩天然气燃料气瓶等领域。这类气瓶综合了复合材料的高比强度、可设计性以及内衬的良好气密性、优良的耐蚀性等诸多优点,使其达到高承压能力、高疲劳寿命、质轻、耐腐蚀等优良性能的完美结合。国外已经用它来取代钢制气瓶。近年来,我国也在对铝胆复合气瓶进行研制,并逐步推广使用。目前,复合气瓶的有限元分析技术和高效、可靠、实用的结构设计优化技术已成为重要的研究课题。将有限元数值分析和优化技术应用于全缠绕复合气瓶的设计中,在产品设计阶段可以提高结构设计的可靠性,改善压力容器的性能,有效地缩短产品设计周期和费用。本课题是武汉理工大学复合材料缠绕装备所的预研项目,主要针对全缠绕复合气瓶开展以下几个方面的研究:（1）确定全缠绕复合气瓶的结构设计方案。以网格理论为基础,结合纤维缠绕工艺要求和气瓶容积约束条件,设计了某一型号的全缠绕复合气瓶内衬和复合材料缠绕层的结构,确定了内衬的几何尺寸、螺旋缠绕层和环向缠绕层的缠绕角度和厚度。（2）复合材料缠绕层力学分析。运用弹性力学理论对复合材料缠绕层进行理论分析,采用正交各向异性单层材料的强度理论和层合板理论进行强度校核。（3）全缠绕复合气瓶有限元分析和评价。在ANSYS中采用层单元规划建立了与复合气瓶力学特性尽可能一致的全参数化有限元模型,实现了封头段螺旋缠绕层的变厚和变角度,建立了复合气瓶结构非线性有限元分析流程,采用美国DOT-CFFC设计准则对复合气瓶五种工况下的有限元计算结果进行分析。研究了复合气瓶自紧的原理,对比分析了自紧处理前后的计算结果。（4）整体优化设计。按照DOT-CFFC设计准则建立了复合气瓶优化设计的数学模型,采用有限元优化设计方法研究了自紧压力、铺层角度、铺层厚度对复合气瓶性能的影响因素,并分别以工作压力条件下内衬应力和气瓶容重比为目标函数,对复合气瓶整体结构进行了多层优化设计,确定了最佳设计方案。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 复合材料压力容器概况
• 1.1.1 复合气瓶的结构
• 1.1.2 复合气瓶的材料选用
• 1.1.2.1 内衬材料的选用
• 1.1.2.2 复合材料的选用
• 1.1.3 复合气瓶成型工艺
• 1.2 复合气瓶的标准
• 1.3 课题来源与研究的目的意义
• 1.4 国内外研究概况和发展趋势
• 1.5 课题的研究内容
• 第二章 复合气瓶的结构设计
• 2.1 前言
• 2.2 复合气瓶技术指标
• 2.3 内衬的设计
• 2.3.1 内衬封头的设计
• 2.3.2 内衬接嘴接尾设计
• 2.3.3 内衬筒体的设计
• 2.4 纤维缠绕层的设计
• 2.4.1 纤维缠绕筒身的平衡方程
• 2.4.2 纤维缠绕层数确定
• 2.4.3 纤维缠绕层厚度确定
• 2.4.4 纤维缠绕层计算
• 第三章 复合气瓶层合壳体结构分析
• 3.1 复合壳体结构的弹性力学分析
• 3.1.1 复合壳体结构的弹性理论
• 3.1.2 偏轴刚度矩阵的确定
• 3.2 复合材料强度理论
• 3.2.1 单层的基本强度
• 3.2.2 单层的失效准则
• 3.2.3 层合板强度
• 第四章 复合气瓶有限元分析
• 4.1 复合气瓶有限元模型建立
• 4.1.1 单元类型
• 4.1.2 材料属性
• 4.1.3 层属性
• 4.1.4 网格生成
• 4.1.5 边界条件
• 4.2 复合气瓶应力计算结果与分析
• 4.2.1 复合气瓶应力分布要求
• 4.2.2 复合气瓶应力计算结果
• 4.2.3 复合气瓶应力计算结果分析
• 4.3 复合气瓶自紧原理和分析
• 第五章 复合气瓶有限元优化设计
• 5.1 前言
• 5.2 ANSYS优化技术
• 5.3 全缠绕复合气瓶优化设计
• 5.3.1 优化设计的数学模型
• 5.3.2 有限元优化流程
• 5.3.3 优化方法
• 5.4 优化结果分析
• 5.4.1 自紧压力影响因素
• 5.4.2 铺层角度影响因素
• 5.4.3 铺层厚度影响因素
• 5.4.4 整体优化
• 第六章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文