大容积全缠绕复合材料气瓶设计方法研究

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1、太原理工大学硕士研究生学位论文大容积全缠绕复合材料气瓶设计方法研究摘要随着我国经济的快速发展，长管拖车作为天然气的运输工具，在工业、能源和物流等诸多领域得到了越来越广泛的应用。金属内胆全缠绕气瓶自重轻、性能稳定，是将来较长一段时间内最有可能用于代替大容积钢质气瓶的复合材料气瓶。本文针对气瓶爆破失效、内压疲劳失效、扭转失效这三种失效形式，通过有限元仿真、调研、理论研究及试验的方法，对大容积全缠绕复合材料气瓶设计方法进行了研究。主要研究工作及结论如下：1.针对爆破失效，运用有限元计算软件ANSYS，考虑自增强过程建立较为合理的大容积全

2、缠绕复合材料数值计算模型。以爆破失效为唯一失效模式，在使用能够满足设计要求的情况下尽量减少纤维使用量这一准则，设计一种较为简单易行的优化方法并对内胆壁厚为6.0±0.2mm的气瓶进行优化设计。2.针对内压疲劳失效，通过有限元数值仿真，分析出自紧压力和缠绕层数对内胆抗疲劳性能的影响；通过调研及焊接残余应力测试，对焊接内胆的疲劳性能进行分析，发现焊接内胆难以满足实际应用中对气瓶疲劳的要求；基于爆破失效设计方法，设计出工作压力25MPa和30MPa内胆为Φ559×7.9薄壁钢管，碳纤维全缠绕大容积复合材料气瓶，为将来工作压力25MPa、

3、30MPa大容积气瓶设计制造提供基础。3.由于受瓶体弯曲度和不圆度影响，安装于长管拖车框架上的大容积气瓶会承受一定的扭矩。本文建立了一套大容积长管拖车气瓶扭矩测试装置，可以计算气瓶由于弯曲度和不圆度所产生的扭矩，并搭建实验平台，对5个长管拖车气瓶进行了扭矩、弯曲度、不圆度的测量；提出了一种有I太原理工大学硕士研究生学位论文效可用的大容积气瓶扭矩计算方法，可以定量的分析弯曲度、不圆度及扭矩的关系；对销钉进行强度校核，结果发现对于弯曲度和不圆度符合要求的气瓶，两个销钉可以防止气瓶转动。关键词：长管拖车气瓶；全缠绕气瓶；有限元；扭矩测试

4、；II太原理工大学硕士研究生学位论文STUDYONDESIGNMETHODOFLARGECAPACITYFULLY-WRAPPEDCOMPOSITECYLINDERSABSTRACTWiththerapiddevelopmentofeconomyinourcountry,longtubetrailerasthetransportationofnaturalgashasbeenmoreandmorewidelyusedinmanyfieldssuchasindustry,energyandlogistics.TheFully-wra

5、ppedcompositecylinderwithitslightweightandstableperformance,ismostprobablytoinsteadofthelargevolumeofsteelcylindercompositecylindersinthefuture.Onthebasisofpredecessors'research,aimingattheproblemofinternalpressureburstfailure,fatiguefailureandtorsionalfailureofCylind

6、ers,throughthefiniteelementsimulation,research,thetheoreticalresearchandexperiment,thedesignmethodoffully-wrappedcompositecylinderhasbeenstudied.Themainresearchworkandconclusionsofthispaperareasfollows:1.Forburstingfailureresearching,considertheautofrettageprocessandu

7、sefiniteelementsoftwareANSYStoestablishcalculationmodelofthelargecapacityfully-windingcompositecylinders.Useburstingfailureastheonlyfailuremodecandesignakindofsimpleoptimizationmethodwhichmeetsthedesignstandardofusingminimizefiber.Withtheoptimizationmethod,afully-wrap

8、pedcompositecylinderwithsteellinerthicknessof6.0±0.2mmisdesigned.2.Tostudyontheinternalpressurefatiguefailure,thetankfatigue