带缠绕层表面损伤的CNG-2型复合气瓶的分析

发布时间：2017-08-09 06:30

  本文关键词：带缠绕层表面损伤的CNG-2型复合气瓶的分析

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【摘要】：CNG-2型复合气瓶在社会的日常生产和生活中有着重要的应用,CNG-2型复合气瓶的生产和使用过程,会不可避免的产生缠绕层外表面的损伤,影响气瓶的使用寿命和安全性,因此需通过科学计算和试验验证来分析表面损伤对于复合气瓶的性能影响。本文按照此目标对带损伤的复合气瓶进行了有限元及实验分析,主要工作和结论如下： (1)分别将复合材料缠绕层表面的划伤和磨损简化为矩形槽型损伤模型和椭圆凹坑型损伤模型,对具有两种表面损伤类型的复合材料气瓶进行水压爆破试验,分别得出带有2mm深表面损伤的复合气瓶的爆破压力,通过与相同尺寸的完好气瓶的比较,得出两种损伤模型使得气瓶整体的爆破压力分别降低6.13～11.13MPa和7～12MPa的结论。 (2)利用有限元软件ANSYS分别建立带有矩形槽型和椭圆凹坑型表面损伤的复合气瓶模型,按照最大应变理论求解带损伤复合气瓶的爆破压力,将所求结果与实验结果相对比,得出两种模型的计算误差分别为4.9%和0.46%,说明有限元计算的正确性。在此基础上得出了带损伤复合气瓶爆破压力随着损伤深度的变化趋势。 (3)对带有矩形槽和椭圆凹坑损伤模型的复合气瓶进行有限元分析,得出表面损伤对于内衬应力的影响为：使得内衬外表面相对于损伤部位的应力增大,内表面相对于损伤部位的应力减小。运用相同的分析方法分别得出了两种损伤下复合气瓶内衬的Mises应力最大值随缺陷深度的变化曲线,以及复合气瓶缠绕层的环向应力最大值随缺陷深度的变化曲线,即损伤尺寸变化对于复合气瓶缠绕层和内衬的应力影响趋势。 (4)通过借鉴GB24160-2009中的规定：复合气瓶的水压爆破压力不应当低于85%的最小设计爆破压力,得出带矩形槽型损伤和椭圆凹坑损伤的复合气瓶的损伤极限尺寸都为2mm；按照JB4732附录C对两种带损气瓶进行疲劳分析,得出带矩形槽型损伤的复合气瓶的剩余循环次数为16498次。带椭圆凹坑型损伤的复合气瓶的剩余循环次数为14973次。 (5)利用有限元软件ANSYS分别建立了复合材料层上的穿透裂纹、矩形裂纹、椭圆形裂纹,选用椭圆形裂纹为计算用裂纹模型,并对带有一定尺寸的椭圆形裂纹的复合材料气瓶进行有限元计算,得出带裂纹损伤的复合气瓶的爆破压力减小的原因是缠绕层应力最大点的应力超出了复合材料抗拉强度保证值而导致的。通过对完好气瓶进行有限元计算,得出了复合气瓶在受载时内衬和缠绕层的应力变化趋势及关系。
【关键词】：CNG-2型复合气瓶 表面损伤 实验验证 有限元分析
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TH49
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 引言10-11
• 1 绪论11-18
• 1.1 复合材料及复合气瓶的发展现状11-14
• 1.1.1 复合材料的发展现状11
• 1.1.2 复合材料气瓶的发展和研究现状11-12
• 1.1.3 复合气瓶的分类、结构和材料12-14
• 1.2 复合气瓶表面损伤的研究14-16
• 1.2.1 复合材料损伤的概述14
• 1.2.2 复合材料损伤容限设计思想14-15
• 1.2.3 复合材料损伤的研究现状15-16
• 1.3 本文的研究目的和内容16-18
• 1.3.1 研究目的16-17
• 1.3.2 研究内容17-18
• 2 带损伤复合材料气瓶的结构力学分析18-28
• 2.1 复合材料气瓶的失效方式18-19
• 2.2 复合材料强度理论19-24
• 2.2.1 单向复合材料强度理论19-23
• 2.2.2 层合板的强度分析23-24
• 2.3 含缺口的层合板的剩余强度分析24-27
• 2.3.1 W-E-K模型25
• 2.3.2 W-N模型25-27
• 2.4 本章小结27-28
• 3 带表面损伤的复合气瓶的分析28-71
• 3.1 有限元软件ANSYS的介绍及表面损伤的模型简化28-29
• 3.1.1 有限元软件ANSYS的介绍28
• 3.1.2 表面损伤的模型简化28-29
• 3.2 带表面损伤复合材料气瓶有限元建模的设置29-34
• 3.2.1 计算用复合气瓶的结构及参数29-30
• 3.2.2 单元选择30-32
• 3.2.3 材料参数的设置32-33
• 3.2.4 复合材料建模的处理33-34
• 3.3 完好复合气瓶的有限元分析34-39
• 3.3.1 截面法建立缠绕层35-37
• 3.3.2 实体法建模37-38
• 3.3.3 两种建模方法的比较38-39
• 3.4 矩形槽缺陷模型的分析39-57
• 3.4.1 试验方法求爆破压力40-45
• 3.4.2 有限元方法计算爆破压力45-48
• 3.4.3 矩形槽型缺陷模型的应力分析48-55
• 3.4.4 损伤极限尺寸的确定55-56
• 3.4.5 极限损伤尺寸下气瓶的疲劳寿命分析56-57
• 3.5 椭圆凹坑缺陷模型的分析57-69
• 3.5.1 试验方法求爆破压力57-60
• 3.5.2 有限元方法计算爆破压力60-62
• 3.5.3 椭圆凹坑型缺陷模型的应力分析62-68
• 3.5.4 损伤极限尺寸的确定68
• 3.5.5 极限损伤尺寸下气瓶的疲劳寿命分析68-69
• 3.6 本章小结69-71
• 4 复合材料表面裂纹的有限元分析71-85
• 4.1 复合材料表面裂纹的建模71-79
• 4.1.1 复合材料表面裂纹及其建模的介绍71-72
• 4.1.2 复合材料上穿透裂纹的模型建立72-74
• 4.1.3 复合材料矩形裂纹的模型建立74-75
• 4.1.4 复合材料椭圆形裂纹的模型建立75-79
• 4.2 椭圆形裂纹模型的计算分析79-84
• 4.2.1 椭圆形裂纹模型的计算分析79-82
• 4.2.2 复合气瓶受载过程的分析82-84
• 4.3 本章小结84-85
• 5 结论和展望85-88
• 5.1 本文的主要结论85-86
• 5.2 展望86-88
• 参考文献88-91
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况91-92
• 致谢92-93

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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本文编号：643920