铝合金内衬碳纤维全缠绕气瓶有限元分析与优化设计

发布时间：2017-12-28 09:35

本文关键词：铝合金内衬碳纤维全缠绕气瓶有限元分析与优化设计　出处：《大连理工大学》2011年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：复合材料气瓶以其质量轻、耐腐蚀、密封性能好、可靠性高等诸多优点被广泛应用于军用和民用。随着复合材料气瓶的广泛应用,对气瓶进行科学的研究和准确的分析显得尤为重要。随着计算机技术的发展和有限元方法的成熟,数值计算方法已经成为研究复合材料气瓶的重要方法。本文借助ANSYS有限元分析软件,对铝合金内衬碳纤维全缠绕复合材料气瓶进行了有限元分析和优化设计,主要针对全缠绕复合材料气瓶进行了以下几个方面的研究： (1)复合材料气瓶内衬和缠绕层的力学分析。简化气瓶模型,根据拉美公式推导出了内衬的应力和应变。在网格理论的基础上,给出了螺旋缠绕加环向缠绕筒身段的纤维厚度和纤维应力公式；均衡型等应力封头的纤维缠绕角、纤维厚度和纤维应力公式。 (2)全缠绕复合材料气瓶的有限元分析。采用ANSYS参数化编程语言(APDL)建立与全缠绕复合气瓶力学性能尽可能一致的参数化有限元模型。在模型中,将纤维缠绕层视为复合材料层合板,考虑了纤维缠绕张力的影响,实现了封头段螺旋纤维层的变厚和变角度,通过比较复合材料气瓶爆破压力的预测值与实验值验证了模型的正确性。对该复合材料气瓶在六种工况(纤维缠绕残余预应力、自紧压力、零压力、工作压力、水压实验压力、最小爆破压力)下的有限元计算结果进行了分析,结果表明该气瓶完全符合DOT-CFFC标准的规定。 (3)优化设计。按照DOT-CFFC标准的规定并结合各工况下应力水平的要求建立优化数学模型,采用ANSYS提供的优化设计方法,以工作压力下内衬最大Mises应力为目标函数,对全缠绕复合材料气瓶的自紧压力和纤维缠绕残余预应力进行了优化,得到了最优值,使内衬在工作压力下有较低的应力水平,提高了气瓶的可靠性,有效地缩短了产品设计周期,减少设计费用。 (4)自紧处理和纤维缠绕残余预应力的研究。利用上述有限元模型,研究了自紧处理对复合材料气瓶性能的影响,结果表明自紧处理能明显降低内衬在工作压力下的应力水平,改善工作压力下纤维的应力分配,可以充分发挥复合材料强度高的性能特点；通过对纤维缠绕残余预应力的研究,表明较大的纤维缠绕残余预应力能降低内衬在工作压力下的应力水平,但是其对纤维层的应力水平影响很小
[Abstract]:Composite gas cylinder is widely used in military and civilian applications for its advantages of light quality, corrosion resistance, good sealing performance and high reliability. With the wide application of composite gas cylinder, it is very important to carry out scientific research and accurate analysis of the cylinder. With the development of computer technology and the maturity of the finite element method, the numerical calculation method has become an important method to study the composite gas cylinder. Based on the ANSYS finite element analysis software, the finite element analysis and optimization design of aluminum alloy lined carbon fiber full winding composite cylinder were carried out.
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TH49

【参考文献】