高压全缠绕复合材料气瓶自紧优化分析.pdf

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1、390化工机械2015年高压全缠绕复合材料气瓶自紧优化分析吴泽敏刈宋利滨2马源1(1．大连理工大学化工机械学院；2．中国特种设备检测研究院)摘要自紧处理能有效提高复合材料气瓶的疲劳性能和纤维利用率。以容积为140L、工作压力为35．0MPa的全缠绕复合材料气瓶为例，对其自紧压力优化方法进行研究，并采用有限元法对全缠绕复合材料气瓶进行自紧分析。结果表明：同时借助DOT—CFFC和ISO一11119标准可实现34．5MPa以上的全缠绕复合材料气瓶自紧压力的优化；经过最佳自紧压力处理后，35．0MPa全缠绕复合材料气瓶在工作载荷工况下内衬的承载能力和复合材料层的纤维利用率分别提高了42．1％和

2、38．7％。关键词储罐复合材料气瓶自紧分析优化分析中图分类号TQ053．2文献标识码A文章编号0254-6094(2015)03-0390-05复合材料气瓶作为一种气体储罐，以其比强度和比刚度高、抗疲劳性能好及质量轻等诸多优点，在航空航天、交通运输、化工及医疗等领域得到广泛的应用‘1。。复合材料气瓶工作时需要不断地充放气体，因此对其疲劳性能要求较高。由于复合材料气瓶内衬和复合材料层所使用的材料存在巨大差异，造成其沿壁厚方向的应力分布不均，从而降低了其疲劳使用寿命。目前在生产过程中，普遍采用自紧处理方法使复合材料气瓶在零压时内衬处于受压状态而复合材料层处于受拉状态，从而降低工作时内衬的受力

3、旧1，充分发挥纤维的高强度性能并提高复合材料气瓶的疲劳性能。目前，国内外对全缠绕复合材料气瓶自紧压力范围的确定和优化主要是参照美国DOT-CFFC标准∞1中的相关要求完成的，该标准仅适用于工作压力34．5MPa以下、容积90．7L以下的全缠绕复合材料气瓶。随着复合材料气瓶的发展，低压力、低容量的复合材料气瓶已无法满足相应的工艺要求，对于工作压力高于34．5MPa全缠绕复合材料气瓶自紧压力的优化方法鲜有报导。虽然文献[4，5]中分别对工作压力为35．0、40．0MPa的全缠绕复合材料气瓶自紧压力进行了优化，但其均仅是参照DOT-CFFC标准来完成的，因此得到的最佳自紧压力值的准确性有待考察

4、。国际标准化组织ISO于2002年批准了一部纤维缠绕复合气瓶标准ISO．11119¨o，该标准适用于工作压力43．3MPa以下、容积450L以下的复合材料气瓶，但标准中仅给出了复合材料层的纤维应力比的限制要求，对于内衬层应力分布的限制未作任何说明。为了更准确地得到工作压力在34．5MPa以上的全缠绕复合材料气瓶的最佳自紧压力，笔者同时参照DOT和ISO两标准中的相关要求对工作压力35．0MPa、容积140L的全缠绕复合材料气瓶进行自紧优化。1全缠绕复合材料气瓶有限元分析1．1基本材料参数文中所分析的全缠绕复合材料气瓶内衬层选用铝合金6061一T6，复合材料层纤维选用12K-T700碳纤维

5、，树脂基体选用环氧树脂。铝合金6061-T6材料性能参数如下：弹性模量69GPa-吴泽敏，女，1988年7月，硕士研究生。辽宁省大连市，116023。第42卷第3期化工机械391塑性模量0．69GPa泊松比0．324屈服强度296MPa抗拉强度330MPa12K·T700碳纤维材料性能参数如下：抗拉强度4．9GPa拉伸模量230GPa伸长率2．1％线密度800mg／m密度1．809／em312K一1"700／环氧树脂材料性能参数如下(其中Ej表示材料i方向上的弹性模量，Gii表示材料的剪切模量，卢。表示泊松比)：E：154．1GPaE。11．41GPaG：，7．092GPaG，3．792

6、GPaG。7．092GPa肛。0．33p。0．49肛。0．491．2有限元模型及网格划分为了保证数值计算求解的精确性，分析时选用三维20节点Solid95实体单元模拟复合材料气瓶内衬层，选用Shell99壳单元模拟复合材料层。由于复合材料气瓶上的纤维缠绕方式是对称缠绕，可将复合材料层的几何结构看作是轴对称结构，因此全缠绕复合材料气瓶有限元模型可简化为轴对称模型。由于复合材料层属于一种各向异性材料，为确保分析结果的准确性，分析时需要保证内衬外表面的外法线方向和复合材料层部位的单元坐标方向是一致的。笔者选取全缠绕复合材料气瓶环向1／8结构建立其有限元模型(图1)。分析时为与实际情况相符，在复

7、合材料气瓶的轴向剖面上施加对称约束，内衬内表面施加均布内压，两端的瓶颈端部分别施加轴向位移约束和内压引起的等效轴向载荷。[1图1复合材料气瓶1／8有限元模型及网格2自紧的必要性自紧常应用于金属厚壁高压容器。在自紧压力作用下，让容器在靠近内壁的部分厚度范围内达到屈服而产生塑性变形，当卸掉自紧压力后，内壁处产生残余压应力。其目的是使容器在工作压力下，容器内、外壁的拉应力能够相近些，以较充分地利用材料¨1。纤维缠绕复合材料气瓶不算是厚壁容