全缠绕复合气瓶有限元分析和优化设计

发布时间：2020-03-21 05:22

【摘要】： 采用复合材料制成的全缠绕复合气瓶主要应用于氢燃料电池汽车高压储氢容器、呼吸器及车用压缩天然气燃料气瓶等领域。这类气瓶综合了复合材料的高比强度、可设计性以及内衬的良好气密性、优良的耐蚀性等诸多优点,使其达到高承压能力、高疲劳寿命、质轻、耐腐蚀等优良性能的完美结合。国外已经用它来取代钢制气瓶。近年来,我国也在对铝胆复合气瓶进行研制,并逐步推广使用。目前,复合气瓶的有限元分析技术和高效、可靠、实用的结构设计优化技术已成为重要的研究课题。将有限元数值分析和优化技术应用于全缠绕复合气瓶的设计中,在产品设计阶段可以提高结构设计的可靠性,改善压力容器的性能,有效地缩短产品设计周期和费用。本课题是武汉理工大学复合材料缠绕装备所的预研项目,主要针对全缠绕复合气瓶开展以下几个方面的研究: (1)确定全缠绕复合气瓶的结构设计方案。以网格理论为基础,结合纤维缠绕工艺要求和气瓶容积约束条件,设计了某一型号的全缠绕复合气瓶内衬和复合材料缠绕层的结构,确定了内衬的几何尺寸、螺旋缠绕层和环向缠绕层的缠绕角度和厚度。 (2)复合材料缠绕层力学分析。运用弹性力学理论对复合材料缠绕层进行理论分析,采用正交各向异性单层材料的强度理论和层合板理论进行强度校核。 (3)全缠绕复合气瓶有限元分析和评价。在ANSYS中采用层单元规划建立了与复合气瓶力学特性尽可能一致的全参数化有限元模型,实现了封头段螺旋缠绕层的变厚和变角度,建立了复合气瓶结构非线性有限元分析流程,采用美国DOT-CFFC设计准则对复合气瓶五种工况下的有限元计算结果进行分析。研究了复合气瓶自紧的原理,对比分析了自紧处理前后的计算结果。 (4)整体优化设计。按照DOT-CFFC设计准则建立了复合气瓶优化设计的数学模型,采用有限元优化设计方法研究了自紧压力、铺层角度、铺层厚度对复合气瓶性能的影响因素,并分别以工作压力条件下内衬应力和气瓶容重比为目标函数,对复合气瓶整体结构进行了多层优化设计,确定了最佳设计方案。
【图文】：

筒身,铺层,单元,形式

筒身和封头的连接处为应力集中区，对该区域的网格进行了加密。气瓶共划分2420个SHELL99单元和4840个SOLID95单元，27713个节点，划分网格后的复合气瓶1/2有限元模型如图4一5所示。八拍、攘攘靴娜娜萎葵纷纷辍藉携携露黝锡锡魏魏黝鹭霎霎黝杨杨裸鉴罄罄鑫)罄囊黔黔户户户姗考奎{缈缈;渔选选祥搬搬鬓聚缓绷绷尹尹尹姗燕纷纷诚诚;墓 ---探女粉、、一一姗姗姗姗姗姗丈透澎澎娜娜娜哪注注扮扮如如厂厂一饰饰攀粉堆堆口口口助姐吻吻仁汤汤扮扮钧钧粉粉一车施施艇渔七七撇靴舞舞碧碧碧撇翰翰耗沐二二打打粉粉戮黯撇… …招招招趣鞍鞍耳、节睡弃弃宋_孤孤戳巍戮… …刃刃刃粼运致致于认认虑礼礼曝曝肇毅毅刃刃刃量鲡鲡礼礼艘朴朴彝曝巍黔 ...口口口鞠翻翻如· ·~愉愉纂蘸黔窦猫猫娜娜瓶球球解出书曰幼， ---蘸巍彝巍兹兹舰舰舰亡照班价茎萦魏幼幼幼图4一5复合气瓶有限元网格模型

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武汉理工大学硕士学位论文图4一4筒身段单元铺层形式 4.1.4网格生成在ANSYS前处理中建立了气瓶三维实体模型。内衬部分用SOLID95单元划分网格，为了保证分析精度，在壳体厚度上保证至少有两层单元。在内衬实体的外表面用SHELL99单元划分网格建立复合材料层，层单元的节点偏置于复合层底面。利用单元节点偏置功能，将两种单元连接起来，并合并相同位置节点。对于全缠绕复合气瓶，根据其结构特点，为了保证单元形状的规则，不使局部区域出现较大的计算误差或矩阵奇异而终止计算，均采用映射网格划分。筒身和封头的连接处为应力集中区，对该区域的网格进行了加密。气瓶共划分2420个SHELL99单元和4840个SOLID95单元，27713个节点
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：TH49

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