铝合金内胆碳纤维缠绕气瓶结构分析与研究

发布时间：2020-10-11 18:09

　　 碳纤维缠绕铝合金内胆气瓶不仅具有了铝合金材料密度低、加工性好、密封性优良、延展性好、抗裂纹增强性能好等特点,同时兼备碳纤维复合材料重量轻、比强度、比模量高、安全性好以及可设计性强等优点,使复合气瓶达到高承压能力、高疲劳寿命、质量轻、耐腐等优良性能的完美结合。 复合材料气瓶是由纤维缠绕复合层和金属内衬共同组成的结构。纤维缠绕复合层采用纵向缠绕和环向缠绕相结合,其中封头部分全部为纵向缠绕,圆柱段为纵向缠绕与环向缠绕的组合。复合材料气瓶承受内压载荷时,复合材料层大约承受85%～95%的载荷,而铝内衬只承受5%～15%的压力。 本文首先对铝合金内胆进行结构设计,铝内胆采用椭球封头,壁厚设计为2mm,长径比选择2.7;采用网格理论对气瓶复合材料层进行初步设计,确定缠绕层壁厚、铺层数量、铺层方式以及缠绕角。然后利用有限元分析方法,在ANSYS中进行三维有限元分析。由于复合材料气瓶的内胆和缠绕层是两种不同的材料且单元属性也不一样,因此定义时采取了不同的单元属性。铝合金内胆采用SOLID185号单元按照弹塑性来进行分析,复合材料缠绕层采用SOLID46号单元按照各向正交异性来分析,取其1/24作为分析对象,在两个剖面边界上给定对称边界约束条件,对其施加90MPa的内压载荷进行分析计算,解算结果显示铝内衬受力已进入塑性,筒段应力在380～410MPa范围内,纤维层最大应力2416MPa,接近材料应力极限2940MPa。 最后对按照设计加工制造的气瓶进行水压试验,试验爆破压强93MPa,铝合金内胆和纤维同时发生破坏,试验结果表明理论分析完全符合实际。
【学位单位】：国防科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2007
【中图分类】：TH49
【部分图文】：

13985个单元。由于气瓶结构的对称性，取其1/24作为分析对象，在两个剖面边界上施加对称边界条件。内衬与碳纤维复合材料缠绕层采用绑定接触。气瓶的几何模型如图3.1，气瓶的有限元模型如图3.2，图3.3重点给出封头处的有限元模型。第29页

图3.3气瓶封头处的有限元模型3.2复合材料气瓶边界条件于气瓶在进行试验时只承受内压载荷，所以在分析气瓶时按照爆90MPa的内压。铝内衬封头为整体旋压成型无开口，缠绕时为方固定一个与前接头开口一样的接头进行挂线，每缠绕完一个循环头处补强一层碳纤维T300平纹布。对气瓶施加的边界载荷如图3甘O乙功口娜八拍{找德

加 加Od.1己日扭 000111图3.6气瓶轴向位移分布图图3.6为复合材料气瓶在受内压gOMPa时的轴向位移，图中显示最大轴向位移发生在气瓶的封头顶点位置，位移值为6.062~，而筒段的轴向位移最大为3幻口rn。111盈.月穿\了又 ___翻 翻幻O函二80乙口勺10目， ~...日 日勺卫卫台 1JU日‘200， ，日 日勺卫启11‘ :13:1888宁 宁1翻旧， 111口 口名《几 VG)))获 获日Y日二 OOO rrr比峨=‘。 06222日 日目翻~‘1‘吃
【引证文献】

相关硕士学位论文 前1条

1 黄海青;纤维缠绕铝内衬复合气瓶的有限元分析[D];大连理工大学;2011年

本文编号：2836938