纤维缠绕超高压前混合磨料罐的设计与研究

发布时间：2020-06-08 18:09

【摘要】：现阶段前混合磨料射流切割系统的工作压力大致在30-50MPa的压力范围内,已经难以满足实际工况的需求,为此提出建立100MPa的超高压前混合磨料射流切割装置已经势在必行。超高压前混合磨料射流的核心所在于磨料混合装置。水经泵出后,沿着胶管注入超高压前混合磨料罐中进行水与磨料的混合,形成局部流态化,水与磨料充分混合后途经喷嘴喷射而出,形成超高压前混合磨料射流。超高压前混合磨料罐作为一种压力容器,不仅要储存磨料,还要承载磨料与水混合形成局部流态化时产生的压力,为此对超高压前混合磨料罐的强度具有十分高的要求,需要对其进行合理的设计与研究,由此引出本课题。本论文对超高压前混合磨料罐的进行了理论设计和研究。主要做了以下工作:对纤维缠绕超高压前混合磨料罐进行了力学分析,通过网格理论设计方法分析磨料罐纤维铺层筒身段和封头段力学特性,推导出磨料罐筒身段及罐体段缠绕纤维厚度及缠绕角的计算方程,为纤维缠绕超高压前混合磨料罐的有限元建模提供理论基础。通过solidworks软件建立磨料罐三维模型,运用ANSYS软件的APDL参数化语言完成纤维缠绕超高压前混合磨料罐的有限元分析。因为磨料罐的几何结构、约束条件以及载荷参数等存在对称性,所以选择磨料罐的1/4模型进行有限元分析计算,得到纤维缠绕超高压前混合磨料罐在100MPa(工作压力)和120MPa(安全压力)两种工作环境下磨料罐以及纤维缠绕层的应力应变情况,并对结果进行分析研究。优化磨料罐上罐口结构,将上罐口由外螺纹连接结构改为内螺纹连接结构,通过solidworks建立结构模型,运用ANSYS软件对其进行有限元分析,分析结果,并与传统结构磨料罐的分析结果进行对比分析,发现优化上罐口结构的纤维缠绕超高压前混合磨料罐所受到的最大等效应力值、最大等效应变值、最大节点位移值整体上小于传统结构的纤维缠绕超高压前混合磨料罐,最终确定优化结构的超高压前混合磨料罐的内径300mm,内衬壁厚6mm,碳纤维铺层层数为18层,采用正反螺旋缠绕的缠绕方式。
【图文】：

前混合磨料射流,工作装置

第１章绪论引射注入式前混合磨料射流系统ｐｓ］。高压泵泵出高压水后分为顺着管道流入了磨料罐的顶端，在磨料上方形成一种压力；一节流阀流入磨料罐的底部，形成流态化的状态；另一股高压水射器。逡逑段，安徽理工大学自主研发并搭建的前混合磨料射流切割系统５０ＭＰａ，如图１．３所示。中国矿业大学研发制成的便携式矿用割设备可以３０－３５ＭＰａ的压力在煤矿井下进行切割作业工作。磨料射流的特性后，设计了一种能够进行快速开关的磨料阀，料射流设备能够在７０ＭＰａ压力下进行微尺度加工。为了切割［３（）＾制了一种全新的全数控前混合磨料射流切割装置，工作压

纤维缠绕,超高压,结构示意图,复合材料压力容器

逦２复合材料压力容器概述２复合材料压力容器概述逡逑纤维缠绕超高压前混合磨料罐是一种复合材料压力容器，，纤维复合材料连续逡逑缠绕在内衬材料上，形成一个能够承载压力载荷的薄壁壳体磨料罐。经过设计的逡逑磨料罐纤维缠绕，最大化地利用了纤维的强度和刚度，与此同时还减轻了磨料罐逡逑自身的重量。相比于购买普通合金材料，纤维复合材料的成本明显更低，使得现逡逑如今纤维缠绕复合材料压力容器得到了更广泛的实际应用。主要应用在航天飞机逡逑发动机壳、供氧瓶、压缩天然气瓶以及压力储罐等。逡逑２．１纤维缠绕超高压前混合磨料罐的结构逡逑纤维缠绕超高压前混合磨料罐由内到外大致分为了内衬层、纤维增强层、外逡逑保护层等三个部分，如图１．４所示。逡逑
【学位授予单位】：安徽理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG48

【参考文献】