CNG环向缠绕气瓶纤维应力比研究

发布时间：2017-09-06 11:52

  本文关键词：CNG环向缠绕气瓶纤维应力比研究

  更多相关文章： 环向缠绕 气瓶 标准 疲劳 纤维应力比

【摘要】：CNG环向缠绕气瓶凭借其优越的性能,在工业和民用中得到了广泛的应用。在CNG环向缠绕气瓶的有限元分析中,对于建模方法的选择,目前仍存在一定争议。在CNG环向缠绕气瓶的标准中,没有对气瓶壁厚设计方法提出具体规定,设计者在对气瓶设计时依照的标准也不同,造成设计的气瓶尺寸往往存在差异。CNG环向缠绕气瓶相关标准中对纤维应力比的规定,仅从纤维断裂方面考虑,对气瓶纤维应力比的下限作出规定,而对纤维应力比的上限未作规定。在预紧压力较小时,纤维应力比较大,仍能满足标准中对纤维应力比的规定,然而较小的预紧压力不利于约束通过预紧提高气瓶疲劳性能。本文建立了CNG环向缠绕气瓶的轴对称单元模型和三维壳单元模型,通过对两种模型的分析结果进行详细对比,为应力分析模型的选择提供参考建议。然后,根据不同标准体系的气瓶设计方法,对市场上常见的四种规格(Φ279、Φ325、Φ356、Φ406)的CNG环向缠绕气瓶进行设计,分析在不同预紧压力下气瓶的纤维应力比变化规律。最后,通过计算不同纤维应力比下气瓶的疲劳循环次数,根据标准中对气瓶疲劳循环次数的规定,对CNG环向缠绕气瓶的纤维应力比提出一个上限参考值。具体研究结果如下：(1)针对CNG环向缠绕气瓶的有限元模型,三维壳单元模型能够考虑缠绕角度,从而建立准确的模型；而轴对称模型由于平面单元的法向方向不能改变,通常在建立模型时将纤维缠绕角度近似为90°。计算分析表明,当缠绕角度在90°-73°之间,轴对称模型和三维壳单元模型在工作压力和爆破压力下应力分析的最大相对误差为5%。实际生产中环向缠绕的缠绕角通常是85°～90°,因此可以使用轴对称模型代替三维壳单元模型对CNG环向缠绕气瓶进行应力分析。(2)国标(GB5099-1994)的壁厚设计公式是由中径公式结合第一强度理论得到,ISO标准(IS09809-2010)和欧标(EN1964-2000)的设计公式则由拉美公式结合第四强度理论得出。三种设计方法得到的气瓶尺寸不同,在相同的压力条件下,内胆和纤维层的应力分布也不同,造成不同的设计方法得到的气瓶在相同压力条件下的纤维应力比相差3.5%-30.8%,且随着预紧压力的增大而减小。(3)对根据不同标准体系设计的气瓶进行疲劳分析表明,为了使气瓶满足标准中对于疲劳循环次数的规定,对于根据国标设计的四种规格的CNG环向缠绕气瓶,纤维应力比分别应不超过5.07、4.75、4.87、4.73,对于根据ISO标准和欧标设计的四种规的CNG环向缠绕气瓶,纤维应力比分别应不超过3.73、3.23、3.17、3.17。
【关键词】：环向缠绕 气瓶 标准 疲劳 纤维应力比
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH49
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 引言9-10
• 1 文献综述10-23
• 1.1 CNG气瓶用复合材料及缠绕工艺10-11
• 1.2 CNG气瓶11-14
• 1.2.1 CNG气瓶结构及分类11-14
• 1.2.2 CNG气瓶使用中存在的问题14
• 1.3 CNG环向缠绕气瓶相关标准14-17
• 1.3.1 CNG环向缠绕气瓶国内外标准介绍15-16
• 1.3.2 CNG环向缠绕气瓶标准中存在的问题16-17
• 1.4 CNG气瓶损伤研究17-21
• 1.4.1 CNG气瓶结构应力分析17-18
• 1.4.2 CNG气瓶过载损伤分析18-20
• 1.4.3 CNG气瓶疲劳损伤研究20-21
• 1.5 本文研究内容21-23
• 2 CNG环向缠绕气瓶模型验证23-37
• 2.1 轴对称模型和三维模型对比23-31
• 2.1.1 有限元模型建立23-24
• 2.1.2 分析结果讨论24-31
• 2.2 CNG环向缠绕气瓶爆破压力预测31-36
• 2.2.1 CNG环向缠绕气瓶渐进损伤分析流程31-33
• 2.2.2 CNG环向缠绕气瓶过载损伤分析33-36
• 2.2.3 爆破压力分析36
• 2.3 本章小结36-37
• 3 CNG环向缠绕气瓶设计37-46
• 3.1 CNG环向缠绕气瓶内胆设计37-41
• 3.1.1 钢质无缝气瓶国内外设计标准37
• 3.1.2 国内外标准设计方法对比37-41
• 3.2 CNG环向缠绕气瓶纤维层设计41
• 3.3 气瓶尺寸设计41-45
• 3.3.1 设计参数42
• 3.3.2 内胆设计计算42-44
• 3.3.3 缠绕层设计计算44
• 3.3.4 设计结果对比44-45
• 3.4 本章小结45-46
• 4 CNG环向缠绕气瓶纤维应力比分析46-71
• 4.1 纤维应力比46-50
• 4.1.1 材料的弹塑性46-48
• 4.1.2 纤维应力比对CNG环向缠绕气瓶性能的影响48-49
• 4.1.3 纤维应力比的规定49-50
• 4.2 CNG环向缠绕气瓶纤维基体损伤探索50-58
• 4.2.1 基体损伤分析方法50-51
• 4.2.2 不同纤维应力比下CNG环向缠绕气瓶应力分析51-55
• 4.2.3 基于基体损伤的纤维应力比选取55-58
• 4.3 CNG环向缠绕气瓶疲劳损伤分析58-70
• 4.3.1 疲劳损伤分析方法59-66
• 4.3.2 不同纤维应力比下CNG环向缠绕气瓶疲劳性能分析66-68
• 4.3.3 基于疲劳破坏的纤维应力比选取68-70
• 4.4 本章小结70-71
• 5 结论与展望71-73
• 5.1 研究总结71
• 5.2 研究展望71-73
• 参考文献73-76
• 致谢76-77

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本文编号：802984