缠绕张力对复合气瓶内胆应力影响

发布时间：2020-05-29 06:18

【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。
【图文】：

于碳纤维缠绕层而言，将其视为层合板玛仑处理。通过实体单元和3D正交各向异性来模拟碳纤维缠绕层。筒体结构的几何形状和缠绕方式决定了不取整个筒体长度作为研究对象，而只取带宽长度的筒体的一部分作为其研究对象。图4.1是碳纤维复合层对内胆缠绕完毕后的3D实体单元图，其结构内胆外径406mm，厚度smm，内胆采用了Solid45单元，碳纤维缠绕层采用了Solid64单元。由公式 (1.1)可知，设置当量外压P=0.01一O.IMPa。图4.1金属内胆和碳纤维缠绕层的30实体单元图 F19.4.1Threedimensionalsolidele一刀entPiettlreofinner andeax·bon抓 berhooP一 wraPpedlayers

图4.7模型的x方向应力F19.4.7Stressofxthedirectionofmodel吸(4.1)、(4.2)和(4.3)四解析式可计算出每一次缠绕内胆环向应力值为O.375MPa，第二次缠绕后内胆环绕后内胆环向应力值为1.01MPa，而通过数值计算之为O.389MPa，，第二次缠绕后内胆环向应力值为O.72值为O.974MPa。其误差分析公式是(4.4)。、_、，_…理论值一数值计算值1误麦值=一一一一一一二弃不丁下工二—火IU0%理化1且次缠绕后的误差为3石2%，第二次缠绕后的误差为2%。可见误差是非常小的，在工程中完全可以接受的，，也就是说用此有限元模型是可以完全模拟纤维缠绕的建立
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TH49

【引证文献】

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本文编号：2686530