纤维缠绕复合气瓶的研究
发布时间：2023-03-29 02:07
复合材料具有比强度高、比模量大、耐腐蚀、抗疲劳性能好及可设计性强等优点。由复合材料制成的纤维缠绕复合气瓶以其工作压力高、重量轻、安全可靠性好的特点而被广泛地应用于各个工程领域。 本文通过性能的对比分析选择了制造纤维缠绕复合气瓶的材料,根据网格理论完成了纤维缠绕复合气瓶的结构设计。建立了全参数化的复合气瓶有限元三维模型、建立各种压力工况(自紧压力、零压力、工作压力、水压试验压力、最小爆炸压力等)的载荷模型与边界约束条件；对纤维缠绕复合气瓶的应力计算结果进行了分析,结果符合标准要求；通过施加自紧压力,可以有效降低工作压力下气瓶铝合金内胆材料的应力水平,实现了在零内压条件下,气瓶内胆处于其压缩屈服极限应力为60%-95%的最佳应力范围,提高气瓶的疲劳寿命。 为了验证纤维缠绕复合气瓶进行ANSYS有限元分析设计的正确性,同时也为了得到复合材料气瓶极限承载能力,及复合气瓶在各个压强下应变数据,根据标准的要求,进行了水压爆破试验、常温压力循环试验、高低温试验、高温蠕变试验、跌落试验、裂纹容限试验、火烧试验、枪击试验等多项验证性试验。结果表明,各项指标均满足标准规定要求,因此设计方案是合理可靠的。
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 研究背景
1.2 复合材料的性能特点
1.3 纤维缠绕复合气瓶的发展状况
1.4 纤维缠绕复合气瓶的标准状况
1.4.1 纤维缠绕复合材料压力容器
1.4.2 呼吸器用纤维缠绕复合气瓶
1.4.3 车用压缩天然气气瓶
1.4.4 压缩气体和液化气体用纤维缠绕复合材料气瓶
1.4.5 美国航天和星际航空协会(AIAA)
1.4.6 我国的纤维缠绕复合气瓶的标准状况
1.5 本课题的主要研究内容
第2章 复合材料的力学理论分析
2.1 各向异性体弹性力学基础
2.1.1 各向异性体和的应力-应变关系(层合板理论)
2.1.1.1 一般情况
2.1.1.2 有一个弹性对称面的情况
2.1.1.3 正交各向异性的情况
2.1.2 各向异性体的工程弹性常数
2.1.2.1 工程弹性常数与模量分量、柔量分量之间的关系
2.1.2.2 工程弹性常数的取值范围
2.1.2.3 二维正交各向异性体材料的应力-应变关系
2.2 纤维缠绕复合气瓶网格理论分析
2.2.1 网格分析的基本概念
2.2.2 纤维缠绕复合气瓶筒身段的网格分析
2.2.3 纤维缠绕复合气瓶封头段的网格分析
2.3 复合材料的失效准则
2.3.1 最大应力失效准则和最大应变失效准则
2.3.2 蔡-希尔(Tsai-Hill)失效准则
2.4 本章小结
第3章 纤维缠绕复合气瓶材料的选用
3.1 纤维缠绕复合气瓶内胆材料的选用
3.2 缠绕层复合材料的选用
3.2.1 纤维的选用
3.2.2 树脂基体的选用
3.3 本章小结
第4章 纤维缠绕复合气瓶的设计
4.1 纤维缠绕复合气瓶的设计
4.1.1 维缠绕复合气瓶的技术指标
4.1.2 纤维缠绕复合气瓶的结构
4.1.3 内胆的设计
4.1.4 纤维缠绕层的设计
4.1.4.1 工艺参数
4.1.4.2 强度计算
4.1.4.3 环向缠绕强度计算
4.1.4.4 纵向缠绕强度计算
4.1.4.5 纤维层裂纹损伤校核
4.2 有限元分析方法
4.2.1 有限元分析方法的技术路线
4.2.2 ANSYS有限元分析软件
4.3 纤维缠绕复合气瓶有限元模型的建立
4.4 纤维缠绕复合气瓶应力计算结果与分析
4.4.1 纤维缠绕复合气瓶应力分布要求
4.4.2 纤维缠绕复合气瓶应力计算结果
4.4.2.1 0压力下计算结果
4.4.2.2 工作压力30MPa下计算结果
4.4.2.3 试验压力45MPa下计算结果
4.4.2.4 爆破压力90MPa下计算结果
4.4.3 纤维缠绕复合气瓶应力计算结果分析
4.4.4 纤维缠绕复合气瓶自紧的原理和结果分析
4.4.4.1 纤维缠绕复合气瓶自紧的原理
4.4.4.2 纤维缠绕复合气瓶自紧工艺的有效性分析
4.5 本章小结
第5章 纤维缠绕复合气瓶的设计结果验证
5.1 水压爆破试验
5.2 常温压力循环试验
5.3 高低温试验
5.4 高温蠕变试验
5.5 跌落试验
5.6 裂纹容限试验
5.7 枪击试验
5.8 火烧试验
5.9 本章小结
第6章 结论和展望
6.1 结论
6.2 展望
参考文献
致谢
本文编号：3773766
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
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摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 研究背景
1.2 复合材料的性能特点
1.3 纤维缠绕复合气瓶的发展状况
1.4 纤维缠绕复合气瓶的标准状况
1.4.1 纤维缠绕复合材料压力容器
1.4.2 呼吸器用纤维缠绕复合气瓶
1.4.3 车用压缩天然气气瓶
1.4.4 压缩气体和液化气体用纤维缠绕复合材料气瓶
1.4.5 美国航天和星际航空协会(AIAA)
1.4.6 我国的纤维缠绕复合气瓶的标准状况
1.5 本课题的主要研究内容
第2章 复合材料的力学理论分析
2.1 各向异性体弹性力学基础
2.1.1 各向异性体和的应力-应变关系(层合板理论)
2.1.1.1 一般情况
2.1.1.2 有一个弹性对称面的情况
2.1.1.3 正交各向异性的情况
2.1.2 各向异性体的工程弹性常数
2.1.2.1 工程弹性常数与模量分量、柔量分量之间的关系
2.1.2.2 工程弹性常数的取值范围
2.1.2.3 二维正交各向异性体材料的应力-应变关系
2.2 纤维缠绕复合气瓶网格理论分析
2.2.1 网格分析的基本概念
2.2.2 纤维缠绕复合气瓶筒身段的网格分析
2.2.3 纤维缠绕复合气瓶封头段的网格分析
2.3 复合材料的失效准则
2.3.1 最大应力失效准则和最大应变失效准则
2.3.2 蔡-希尔(Tsai-Hill)失效准则
2.4 本章小结
第3章 纤维缠绕复合气瓶材料的选用
3.1 纤维缠绕复合气瓶内胆材料的选用
3.2 缠绕层复合材料的选用
3.2.1 纤维的选用
3.2.2 树脂基体的选用
3.3 本章小结
第4章 纤维缠绕复合气瓶的设计
4.1 纤维缠绕复合气瓶的设计
4.1.1 维缠绕复合气瓶的技术指标
4.1.2 纤维缠绕复合气瓶的结构
4.1.3 内胆的设计
4.1.4 纤维缠绕层的设计
4.1.4.1 工艺参数
4.1.4.2 强度计算
4.1.4.3 环向缠绕强度计算
4.1.4.4 纵向缠绕强度计算
4.1.4.5 纤维层裂纹损伤校核
4.2 有限元分析方法
4.2.1 有限元分析方法的技术路线
4.2.2 ANSYS有限元分析软件
4.3 纤维缠绕复合气瓶有限元模型的建立
4.4 纤维缠绕复合气瓶应力计算结果与分析
4.4.1 纤维缠绕复合气瓶应力分布要求
4.4.2 纤维缠绕复合气瓶应力计算结果
4.4.2.1 0压力下计算结果
4.4.2.2 工作压力30MPa下计算结果
4.4.2.3 试验压力45MPa下计算结果
4.4.2.4 爆破压力90MPa下计算结果
4.4.3 纤维缠绕复合气瓶应力计算结果分析
4.4.4 纤维缠绕复合气瓶自紧的原理和结果分析
4.4.4.1 纤维缠绕复合气瓶自紧的原理
4.4.4.2 纤维缠绕复合气瓶自紧工艺的有效性分析
4.5 本章小结
第5章 纤维缠绕复合气瓶的设计结果验证
5.1 水压爆破试验
5.2 常温压力循环试验
5.3 高低温试验
5.4 高温蠕变试验
5.5 跌落试验
5.6 裂纹容限试验
5.7 枪击试验
5.8 火烧试验
5.9 本章小结
第6章 结论和展望
6.1 结论
6.2 展望
参考文献
致谢
本文编号：3773766
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