GFWRP压力容器可靠性设计研究

发布时间：2020-05-30 13:09

【摘要】： 纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Plastics,GFRP)以其比强度和比模量高、结构可设计性好及耐腐蚀性能好,等诸多优点而广泛地应用在航空航天、汽车、造船、化工、建筑等军工和民用领域。随着复合材料气瓶的广泛应用,通过科学合理的设计方法进行结构优化设计来减轻结构重量,提高性价比,对实现安全和经济的有效统一具有重大意义。本文主要是引入可靠性理论,对GFRP缠绕压力容器可靠性设计研究。可靠性设计理论和分析方法解决了传统安全系数法设计不考虑材料性能随机性问题,对结构功能的重要影响因素没有科学量化,经济性低的弊端。因此,发展和完善可靠性理论及分析方法对于压力容器的结构设计和安全评定具有十分重要的意义。 对GFWRP压力容器进行工艺设计和制备,并通过高强玻璃纤维束纱强度力学性能随机测试和玻璃纤维缠绕压力容器水压爆破试验,获取得纤维缠绕压力容器的、载荷效应和结构抗力等参量的随机特征值。同时根据Kolmogorov-Smirnov检验法,获得各设计随机变量(玻璃纤维束纱强度、压力容器缠绕工艺参数及几何尺寸)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及网格理论,分别采用可靠性理论设计和传统安全系数法分别对GFRP缠绕压力容器的纤维层壁厚和纤维设计应力进行设计计算。传统安全系数法设计结果较大,可靠性设计与可靠性安全系数法设计结果基本相同,且随着纤维强度离散系数越小时,设计壁厚越薄,相对的纤维设计应力越大。 在试验基础上,结合可靠性设计和传统安全系数法推导出GFWRP压力容器的“可靠性安全系数”。它不仅能体现设计简便性和科学性,同时具有很强的实用性。 由于复合材料性能本身的复杂性和制造工艺过程中诸多不确定性因素都会导致纤维缠绕压力容器基本设计变量与其几何尺寸都存在很大的随机不确定性。因此,在考虑材料性能的同时,控制好复合材料成型工艺过程,对提高产品性价比也有着重大意义和经济价值。
【图文】：

环向缠绕向缠绕是沿内衬圆周方向进行的缠绕。其特点为:缠绕只能在筒身不能缠到封头上去，纤维缠绕的角度通常接近 90°。 纵向缠绕向缠绕又称平面缠绕，纤维缠绕轨迹是一条单圆平面封闭曲线。在中，导丝头在固定平面内作匀速圆周运动，芯模绕自轴慢速旋转。 螺旋缠绕旋缠绕也称测地线缠绕。缠绕时芯模绕自轴匀速转动，导丝头按特芯模轴线方向往复运动。这样就在芯模的筒身和封头上实现了螺旋缠绕角度约为 12°~70°。实际的缠绕成型中，一般采用多种线型进行缠绕，这样可以充分发料各向异性的特点，如螺旋加环向缠绕、螺旋加纵向缠绕等[14,15缠绕线型组成的网格微元如图 1-1：

图 2-1 强度-应力干涉模型般情况下，上式中的积分没有封闭解。但若S1，S2，，为独立随机均服从正态分布，则随机变量Z也服从正态分布，且其均值与标准：Z 21μ = μ μ，2 2Z2 1σ = σ + σ(2式中1μ ，2μ 和1σ ，2σ -分别为 ， 的均值与标准差。引进参1S2S)ZZμσ 再进行标准化处理，得：( )(00ZfZPμφσ = = φ u) (2式中φ -为标准正态分布函数， 2 1022 1ZZu2μ μ μσσ σ = =+，称为可，由Cornell于 1969 年提出。因而，只要解得可靠性指标 的值，0u
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TH49

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本文编号：2688174