碳纤维缠绕复合材料气瓶的有限元数值分析

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时间:2019-02-06

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1、人l连理1-。尺学硕十学{上论史摘要碳纤维复合材料具有比强度比模量高、耐高温抗腐蚀等优异性能,在航空航天与民用领域都具有重要和广泛的应用。利用工程上复合材料压力容器结构设计普遍应用的网格理论,进行筒体部分纵向缠绕和环向缠绕的设计;采用层合板理论,运用Tsai—Hill强度准则,进行了强度校核。借助MSC.Patran/Marc有限元分析软件,分析气瓶材料的弹塑性历程,设计了气瓶的预紧压力。仅考虑内压作用下,参考DOTCFFC标准,对碳纤维缠绕复合气瓶在不同工况下的应力、应变分布进行了有限元数值模拟研究;分析确定了气瓶的最佳预紧压力;探

2、讨了纵向缠绕角对气瓶爆破压力及纤维强度转换率的影响。有限元计算结果表明,气瓶的应变以瓶身中部和肩部两侧的环向处应变最大,而气瓶肩部的变形并不明显。通过合理选择预紧压力,可以有效降低工作压力下气瓶金属内衬材料的应力水平,提高复合材料气瓶的综合性能。针对随机抽样的气瓶样品,进行了水压和爆破试验测试。试验结果表明,数值计算结果与试验结果基本吻合,容器各项指标均达到规定要求,设计方案合理、可靠。关键词:纤维缠绕;复合气瓶;有限元;预紧压力;爆破压力碳纤维缠绕复合材抖气nH的_白限元数值分析NumericalAnalysisoftileCarb

3、on-FibreWindingPressureVesselusingFiniteElementMethodAbstractCarbonfibre—reinforcedcompositematerialsarewidelyappliedinaerospaceandcivilfieldsduetotheircharacteristicsofhi曲strength—to—weighiandstiffness-to—weightratio,goodhigh—temperatureresistance,corrosionresistancean

4、dsoon.Thenettingtheoryandtheclassicallaminatedplatetheoryareusedtodesignandevaluatethecarbon-fibrewindingpressurevessels.nlecylinderwithfibreinbothhoopandlongitudinalorientationisdesignedbymeansofthenemngtheory.Accordingtothelaminatedplatetheory.theTsai—Hillcriteflonisa

5、ppliedinevaluatingthestrengthofpressurevessel.AccordingtoDOTCFFCStandard,onlyconsideringtheintematpressure,thestressandthestraindistributionofthecarbonfibrewindingpressurevesselsunderdifferentinternalloadconditionsarestudiedwiththeMSC.Patran/MarcFEAsoftware.Basedontheel

6、asticplastictheory,theappropriateautofrettagepressureisdeterminedwiththenumericalcalculationusingthefiniteelementmethod.Someproblemswereanalyzed,suchasthewrapangleinthehelicallayersinfluencingtotheburstpressureandtheratioofthesuengIhtransferofthefibre.111eresultsofnumer

7、icalcalculationindicatethatthelargesthoopstrainoccursinthemiddleandthelow-neckedofcompositevessel,whilethelow-neckeddeformationisnotobvious.Theautofrettagepressuredesigncarleffectivelydecreasethestresslevelofthealuminumlinerintheworkconditionandincreasethefatiguelifeoft

8、hecompositeoverwrappedpressurevessels.mlehydrostaticalandburstingpressuresoftherandom—accessvesselsweretested.

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