三维编织复合材料压力容器复合材料层结构设计研究

发布时间：2020-10-31 04:33

　　 近年来复合材料压力容器一直比较受欢迎,不仅是因为它具备了很多材料没有的刚度、强度,而且还由于它拥有着不错的抗腐蚀性和较为安全的时效性等优势。因为这几点原因,它被广泛应用于很多领域。从目前的情况来看,纤维缠绕的制造工艺还是复合材料压力容器成型制造所采用的主要方式。很多专业人士都知道采用纤维缠绕制造工艺制造的压力容器有很多优点,但是它的承受荷载作用过大时容易发生分层分离的缺点也是不理想的。从目前情况来看,很多专家和学者更多集中的焦点在于对相关方面的理论和实验研究,但对结构设计方面和对其整体力学性能相关方面的研究还比较少,甚至是处在刚起步的阶段。当前缺乏完善成熟的理论对编织复合材料压力容器的结构设计和性能进行深入的研究,因此很多基本的实验数据没法得到。基于这两点,对编织符合材料压力容器的理论研究和数值模拟还是非常有必要的。既然纤维缠绕压力容器在力学方面存在着这么多的不足,那么我们是不是可以研究一种更好的压力容器进行弥补呢?本文在之前学者研究的基础上,在设计复合材料压力容器的结构过程中,使用了三维编织的应用技术,并对其力学性能进行了分析。本文的主要研究内容如下:(1)本文将三维正交编织技术应用到编织复合材料压力容器的结构设计上,构建了有关编织复合材料压力容器的几何模型及具有代表性的体积单元几何模型。同时对现下存在的编织复合材料性能开展数值模拟,一定程度上验证了弹性性能的有效性。(2)对编织复合材料压力容器复合材料层的性能进行了研究和分析,预测了复合材料层的有效弹性模量,预测了在同等体积分数下编织和纤维两者不同压力容器复合材料的力学性能存在不同。通过研究发现,正是因为编织复合材料用接结纱将经纱、纬纱交叉结合在一起,增强了材料的整体稳定性,避免了容易分层的短板,大大提高了其力学性能。(3)对编织复合材料压力容器复合材料层的失效进行分析,首先分析了损伤的类型,并且阐述了失效准则和刚度退化准则理论,并结合理论进行了复合材料层的失效模拟,通过应用有限元方法来对编织复合材料压力容器的复合材料层的力学性能进行了分析和研究,并与缠绕编织复合材料层进行对比,说明改善编织复合材料层能增强复合材料层的整体承压能力。本论文的主要研究在于三维编织复合材料的压力容器的结构设计方面,由此本文在研究过程中应用了三维正交的编织技术,并研究和设计出新的编织复合材料的压力容器,这种设计克服了目前纤维缠绕压力容器普遍存在的复合材料层的受力容易破坏的不足,为实际应用提供了一定的指导意义。同时一定程度上研究了编织复合材料压力容器中复合材料层的力学性能。由此,通过本研究能为复合材料压力容器的研究和设计提供一定的指导和参考,对拓宽复合材料压力容器的应用领域有一定的影响作用。同时,由于本文在研究过程中应用的是三维编织技术,对编织复合材料的研究和应用也具有非常重要的指导意义。
【学位单位】：齐鲁工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TH49;TB33
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
    1.1 引言
    1.2 国内外研究现状
        1.2.1 国内外复合材料压力容器研究现状
        1.2.2 国内外编织复合材料细观结构研究现状
    1.3 目前存在的主要问题
    1.4 本文的主要研究内容
第2章 三维编织复合材料压力容器几何建模
    2.1 引言
    2.2 三维编织复合材料工艺和结构研究
    2.3 构建编织复合材料压力容器实体建模
        2.3.1 构建模型
        2.3.2 纤维体积含量计算
    2.4 编织复合材料压力容器复合材料层弹性性能理论分析
        2.4.1 建立基本假设
        2.4.2 关于细观力学性能分析
        2.4.3 进行坐标转换
    2.5 数值算例
    2.6 本章小结
第3章 编织复合材料压力容器复合材料层性能分析
    3.1 引言
    3.2 弹性力学空间轴对称问题
        3.2.1 空间轴对称基本方程
        3.2.2 内衬层弹性状态下的应力应变关系
        3.2.3 力学特性分析
    3.3 数值结果和分析
        3.3.1 三维编织复合材料弹性常数
        3.3.2 复合材料层的有效弹性常数
    3.4 本章小结
第4章 编织复合材料压力容器复合材料层失效分析
    4.1 引言
    4.2 损伤分析
        4.2.1 损伤分类
        4.2.2 失效准则
        4.2.3 刚度退化准则
    4.3 失效模拟
        4.3.1 构建几何模型
        4.3.2 单元类型和材料属性
        4.3.3 生成网格
        4.3.4 施加载荷
        4.3.5 分析失效结果
    4.4 本章小结
第5章 结论和展望
    5.1 结论
    5.2 展望
参考文献
致谢

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本文编号：2863450