复合材料气瓶冲击后损伤与剩余爆破压力研究

发布时间：2017-05-25 17:14

  本文关键词：复合材料气瓶冲击后损伤与剩余爆破压力研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：纤维缠绕复合材料压力容器（COPV，也称复合材料气瓶）以其优良的性能而具有广阔的应用前景。尤其在航空航天领域，复合材料气瓶以其轻质高强和安全性好等优点被大量用来盛装高压液态燃料。复合材料对冲击作用具有高度敏感性，所以生产加工或使用过程中外界的冲击作用很可能会造成其结构损伤甚至爆破压力降低。同时，面对正交各向异性材料的高度非线性问题，传统的理论研究方法很难做出全面准确的分析。随着有限元理论基础的完善和计算机技术的发展，数值分析方法正在作为一种强有力的工具在复合材料气瓶的结构设计和性能研究中起着重要作用。相比于试验研究成本高昂和周期较长等缺点，通过数值方法建立合理的分析模型将具有重要的工程实际价值。 本文总结分析了复合材料气瓶经典力学研究理论，通过试验研究和ABAQUS有限元软件模拟分析技术相结合的方法，对不同能量冲击作用后复合材料气瓶的损伤和冲击后剩余爆破压力展开研究。 以国内外研究成果为基础，总结分析了纤维缠绕复合材料气瓶结构分析中的经典力学理论，并采用网格理论计算了复合材料气瓶的爆破压力。 对纤维缠绕复合材料气瓶的冲击损伤和冲击后的剩余爆破压力进行了试验研究。试验部分主要包括了冲击损伤试验和爆破试验两部分，在冲击损伤试验部分主要进行了落锤冲击试验以及用于表征冲击损伤的三维形貌测试试验和热揭层试验；在爆破试验部分主要进行了复合材料气瓶的冲击损伤试验及其冲击后水压爆破试验。冲击试验结果表明：冲击后纤维损伤的临界冲击能量在10-20J之间，冲击凹坑深度和面积都和冲击能量紧密相关。爆破试验结果表明：冲击能量为10J时，复合材料气瓶剩余爆破压力基本无变化，但当冲击能量为20J和30J时，，爆破压力则分别由79MPa降为77MPa和75MPa。 应用ABAQUS软件对纤维缠绕复合材料气瓶冲击损伤和冲击后剩余爆破压力进行了有限元模拟研究。以复合材料气瓶实际状况为基础，通过合理假设建立了用于分析复合材料气瓶冲击损伤过程和爆破过程的有限元模型，有限元模拟结果误差总体在10%以内。此外，通过改变气瓶几何尺寸参数，研究了复合材料气瓶爆破压力随气瓶筒身缠绕层厚度的变化规律。
【关键词】：复合材料气瓶 冲击损伤 剩余爆破压力 有限元模拟
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TB332;TH49
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-6
• 目录6-8
• 第1章 绪论8-26
• 1.1 课题背景8-9
• 1.2 纤维缠绕复合材料气瓶简介9-14
• 1.2.1 复合材料气瓶的结构与材料9-11
• 1.2.2 复合材料气瓶缠绕工艺11-12
• 1.2.3 复合材料气瓶纤维缠绕规律12-13
• 1.2.4 复合材料气瓶破坏模式13-14
• 1.3 复合材料强度准则14-17
• 1.4 国内外复合材料气瓶研究进展17-24
• 1.4.1 结构优化研究进展17-21
• 1.4.2 力学性能研究进展21-24
• 1.5 主要研究内容24-26
• 第2章 基础理论分析26-42
• 2.1 网格理论分析26-28
• 2.2 冲击过程分析28-33
• 2.2.1 冲击过程虚功方程建立28-31
• 2.2.2 冲击过程有限元法分析31-33
• 2.3 内压载荷作用时受力分析33-35
• 2.4 复合材料剩余强度分析方法35-39
• 2.4.1 等效裂纹分析法35-36
• 2.4.2 等效夹杂分析法36-38
• 2.4.3 全程分析法38-39
• 2.5 有限单元法原理39-41
• 2.5.1 连续结构的离散化39
• 2.5.2 位移模式和形函数39-40
• 2.5.3 单元力学特性分析40-41
• 2.6 本章小结41-42
• 第3章 复合材料气瓶冲击试验和爆破试验方案设计42-48
• 3.1 冲击损伤试验设备42-43
• 3.2 冲击损伤试验工装设计43
• 3.3 冲击损伤试验方案43-44
• 3.4 冲击损伤检测方法44-45
• 3.4.1 冲击凹坑三维形貌表征试验44
• 3.4.2 热揭层试验44-45
• 3.5 爆破试验设备及方案45-48
• 第4章 复合材料气瓶冲击与爆破试验结果分析48-56
• 4.1 冲击点凹坑深度检测结果分析48-50
• 4.2 冲击点凹坑面积检测结果分析50-51
• 4.3 热揭层试验结果分析51-53
• 4.4 水压爆破试验结果分析53-54
• 4.5 本章小结54-56
• 第5章 冲击损伤与剩余爆破压力有限元模拟分析56-75
• 5.1 有限元模型建立56-61
• 5.1.1 分析模块选择56
• 5.1.2 材料属性56-57
• 5.1.3 材料强度准则57-58
• 5.1.4 定义分析步58-59
• 5.1.5 载荷及边界条件设置59-60
• 5.1.6 单元选用和网格划分60-61
• 5.2 复合材料气瓶冲击损伤有限元模拟结果分析61-69
• 5.2.1 冲击点凹坑形貌有限元模拟结果分析61-66
• 5.2.2 纤维损伤层数有限元模拟结果分析66-69
• 5.3 同一时刻不同缠绕层受力有限元模拟结果分析69-70
• 5.4 剩余爆破压力有限元模拟结果分析70-73
• 5.5 本章小结73-75
• 结论75-76
• 参考文献76-82
• 致谢82

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 史建军;李得天;;碳纤维复合材料气瓶的X射线实时成像技术[J];宇航材料工艺;2009年06期

2 高革;;Al-Mg-Al_2O_3-MgO复合材料的制取方法[J];轻合金加工技术;1975年02期

3 李润民 ,张引枝 ,刘振宇;CA SELECTS Carbon Graphite Fibers[J];新型炭材料;1993年01期

4 蒋汉生;;玻璃钢/复合材料在大型异形建筑结构中的应用特点[J];玻璃钢;1995年04期

5 王铁军;熊宁;周武平;秦思贵;;新型金属熔体浸渗复合材料的研究进展[J];机械工程材料;2006年09期

6 许幸新;刘传绍;赵波;;超声振动钻削SiC颗粒增强铝基复合材料时的切削力研究[J];工具技术;2007年01期

7 赵瑞方;华坚;聂建斌;;蜂窝状三维织物及其加强复合材料的研制[J];纺织科技进展;2007年05期

8 张洁;;国内复合材料气瓶发展及气瓶标准概况[J];纤维复合材料;2007年03期

9 汪志芬;林华;张可喜;王江;符新;;淀粉/天然橡胶复合材料的研究[J];弹性体;2008年02期

10 陈雷;曾黎明;罗兰;张超;;聚醚醚酮树脂的改性及应用进展[J];塑料科技;2009年12期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 何九领;鲁金华;;复合材料失效分析[A];探索 创新 交流（第4集）——第四届中国航空学会青年科技论坛文集[C];2010年

2 刘时风;王勇;陶雪荣;陈显锋;;AU2000声-超声复合材料检测系统研制[A];复合材料的现状与发展——第十一届全国复合材料学术会议论文集[C];2000年

3 佟景伟;沈珉;王世斌;李鸿琦;穆祥新;;复合材料变形与损伤的光力学细观实验系统[A];复合材料：生命、环境与高技术——第十二届全国复合材料学术会议论文集[C];2002年

4 郜永娟;刘正英;杨鸣波;;注塑成型CB/iPP/HDPE复合材料电性能的研究[A];2011年全国高分子学术论文报告会论文摘要集[C];2011年

5 马寒松;;纤维型Microstretch复合材料的面内有效弹性模量预测[A];庆祝中国力学学会成立50周年暨中国力学学会学术大会’2007论文摘要集（下）[C];2007年

6 张昌天;李晶晶;江大志;肖加余;;二维点阵复合材料圆筒结构软模辅助缠绕成型及轴向压缩性能研究[A];复合材料：创新与可持续发展(下册)[C];2010年

7 益小苏;王震;刘志真;杨慧丽;丁孟贤;李宏运;;高韧性树脂转移模塑聚酰亚胺复合材料技术[A];航空科学技术学科发展报告(2008-2009)[C];2009年

8 郑媛心;王言伦;王孝军;杨杰;;环氧树脂/AlN复合材料导热性研究[A];2010年全国高分子材料科学与工程研讨会学术论文集（下册）[C];2010年

9 王先平;王伟国;李春;程帜军;方前锋;;Li_5La_3Ta_2O_(12)/Al基高阻尼复合材料的制备和阻尼性能[A];第九届全国固体内耗与力学谱及其应用学术会议论文集[C];2009年

10 杨宜谦;;复合材料在桥梁工程中的应用[A];西部大开发 科教先行与可持续发展——中国科协2000年学术年会文集[C];2000年

中国重要报纸全文数据库 前10条

1 亚兰;亚什兰在华代理TA公司PVC复合材料[N];中国化工报;2008年

2 郑英;江阴自主研发产品获JEC复合材料展创新奖[N];江阴日报;2010年

3 黄丽娟邋胡伟滨 记者 王方遒;亚洲最大复合材料生产基地在哈建成[N];哈尔滨日报;2007年

4 朱剑红;中国建材收购德国企业[N];人民日报;2007年

5 记者 刘棉柳;EPMC复合材料发展进入新阶段[N];广东科技报;2005年

6 记者 杨静;中国复合材料集团锁定“三高”产品[N];中国建材报;2006年

7 尔基;专注指向成功[N];现代物流报;2007年

8 朱江;帝斯曼复合材料树脂集团推出两个新产品[N];中国建材报;2008年

9 广文;秦皇岛奥体中心获赠“复合材料轻型抗爆炸容器”[N];人民公安报;2008年

10 洋洋;澳大利亚将试飞模块化全复合材料无人机[N];中国航空报;2007年

中国博士学位论文全文数据库 前10条

1 袁辉;碳/碳复合材料刚度与强度预测模型研究[D];南京航空航天大学;2009年

2 聂军武;CoFe_2O_4-BaTiO_3磁电复合材料的制备及性能研究[D];南京航空航天大学;2009年

3 袁磊;利用反应烧结法制备Si_3N_4复合材料及其多孔材料的研究[D];东北大学;2008年

4 许文娇;废弃环氧树脂再生技术及应用研究[D];东华大学;2011年

5 尹昌平;共注射RTM制备承载/隔热/防热一体化复合材料[D];国防科学技术大学;2009年

6 康建立;铜基体上原位合成碳纳米管（纤维）及其复合材料的性能[D];天津大学;2009年

7 庄健;Cu/TiC复合材料的制备，组织结构及摩擦磨损行为[D];吉林大学;2011年

8 韩相华;铁基微粉/粘合剂复合材料的微波吸收性能研究[D];兰州大学;2010年

9 王宝来;三维编织复合材料的力学性能和尺寸效应研究[D];哈尔滨工业大学;2009年

10 孟黎清;飞机蜂窝结构动态冲击下的破坏机理及吸收能量分配机制[D];太原理工大学;2011年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 卜军;含端乙焕基硅/氮树脂及其复合材料的研究[D];华东理工大学;2012年

2 石品品;碳纤维增强聚对苯二甲酸乙二醇酯复合材料的制备和性能研究[D];华东理工大学;2012年

3 沈艳萍;高介电常数氰酸酯基复合材料的研究[D];苏州大学;2011年

4 蔡国锋;竹粉/聚丙烯复合材料的研究[D];华东理工大学;2012年

5 梁少旭;含孔隙复合材料的强度分析研究[D];南京航空航天大学;2010年

6 李国琴;泡沫来层复合材料的制备及其力学和阻燃性能的研究[D];东华大学;2011年

7 滕祥萌;复合材料闭合薄壁梁的模态阻尼预测[D];山东科技大学;2011年

8 姜舜;复合材料的多平面加强柱壳结构研究[D];华中科技大学;2011年

9 于长荣;功能性聚丙烯基纳米复合材料的研究[D];北京化工大学;2011年

10 尚宝月;风机叶片用玄武岩纤维复合材料的改性研究[D];辽宁工程技术大学;2011年

  本文关键词：复合材料气瓶冲击后损伤与剩余爆破压力研究，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：394428