受内压复合材料压力容器最佳预紧力有限元分析-论文.pdf

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1、2014年第7期玻璃钢／复合材料33受内压复合材料压力容器最佳预紧力有限元分析董文武，王鹏飞，李杨，何克彬(1．海军驻北京地区航空军事代表室，北京100041；2．北京玻钢院复合材料有限公司，北京102101)摘要：本文利用大型通用有限元分析软件ANSYS对受内压作用的碳纤维缠绕压力容器进行应力数值分析。结果表明，对压力容器施加预紧压力后，会使复合压力容器的内衬在工作压力下的应力显著降低，且应力分布趋于均匀，碳纤维材料的利用率得到提高，有效提高了复合材料压力容器的疲劳寿命。关键词：复合材料压力容器；

2、顸紧压力；ANSYS中图分类号：TB332文献标识码：A文章编号：1003—0999(2014J07—0033—041前言压后，由于应力叠加，内胆的应力水平会降低。纤维缠绕复合材料压力容器是指采用连续纤维本文通过有限元数值分析和优化技术分析预紧缠绕成型的承受内压载荷的复合材料壳体，具有高力对复合压力容器应力状态的影响，参考DOTCFFC比强度、可设计性以及内衬的良好气密性、优良的耐标准，获得压力容器相应的最佳预紧力。蚀性等诸多优点。因此，自复合压力容器问世以来便受到航空航天等部门的极大关注。国外己经

3、用它2ANSYS有限元分析模型来取代钢制气瓶。近年来，我国也在对复合压力容2．1建模依据器进行研制，并逐步推广使用J。我国研制的复合由于壳体是回转体，且受对称均匀外载，因此为材料压力容器在水轰．5、运．8、运_7等多种机型上得节省计算时间，所建模型可以简化为1／4实体模型，到了成功应用。如图1所示。本文研究的是预紧力对复合压力容器受内压后应力分布的影响，并且通过优化设计，找到其最佳预紧力。目前普遍使用的复合材料压力容器由金属内衬和纤维增强层两部分组成J。在内压作用下，金属内衬首先发生塑性变形，而纤维

4、增强层还处于弹性变形阶段。因此，当复合材料压力容器卸压后，纤维增强层恢复形变，而内衬由于发生塑性变形，无法恢复，因此复合材料压力容器将产生内外形变不一致图1复合材料压力容器实体模型现象。并且，外层纤维卸压恢复会产生收缩力，使得Rg．1ThesolidmodelofthecompositematefiMpressurevessel内衬压缩失稳，形成内陷区；当容器再次充压后，内2．2单元类型陷区会被压回；卸压后，内陷区又重新出现。如此往单元1：SOLID186，用来模拟压力容器的内衬。复地充压卸压，会使

5、内衬在疲劳作用下破坏，大大降单元通过20个节点来定义，每个节点有3个沿着低容器的疲劳寿命。XYZ方向平移的自由度。在划分网格时，由于该实为了解决上述问题，通过研究和试验验证，对压体结构形状不规则，所有使用SOLID186的单元都采力容器施加合适的预紧力是十分有效的方法之一。取映射网格划分的形式。对压力容器施加预紧力后，金属内衬在卸压后处于单元2：SHELL99，用来模拟碳纤维复合材料强适当的压应力状态，纤维层处于拉应力状态，再次充收稿日期：2014~1-16作者简介：董文武(1985-)，男，主要从

6、事航空发动机和复合材料方面的研究。36受内压复合材料压力容器最佳预紧力有限元分析2014年7月经过预紧处理过后，该压力容器在工作压力下，缠绕层材料的强度利用率，进而提高复合压力容器内衬的VonMises应力显著降低，由373MPa下降到的疲劳寿命。189MPa，满足了DOTCFFC标准规定。在工作压力参考文献下容器内衬的最大应力位于封头和筒身端部。[1]部强．全缠绕复合气瓶有限元分析和优化设计[J]．玻璃钢／复合材料，2008，1．[2]肖文刚，何志华，王浩．航空用球形复合材料压力容器的研制4结论[

7、c]．玻璃钢／复合材料学术年会，2006．251．(1)根据内衬和复合材料缠绕层应力比随预紧[3]杨福全，张天平，刘志栋，等．复合材料气瓶的有限元建模与屈压力变化曲线图，参考DOTCFFC标准规定，得到了曲分析[J]．真空与低温，2005，11(1)：41．预紧压力范围为42MPa～45MPa，最佳预紧压力[4]邬丹丹，陈国清，周文龙．碳纤维缠绕复合气瓶的有限元数值分为45MPa；析[J]．制造技术研究，2007，8(4)：5．[5]黄再满，蒋鞠慧，薛忠民，等．复合材料天然气气瓶预紧压力的(2)通过

8、施加45MPa预紧力，使得复合材料压研究[J]．玻璃钢／复合材料，2001(9)：29-32．力容器内衬处于其屈服极限应力的60％以下。理[6]DOTCFFCStandard，Carbon-fiberAluminumCylinder[S]．1996．论上能够有效降低内衬材料的应力水平，提高复合THEFINITEELEMETANALYSISOFTHEBES’lPRE’I’ES10oFTHECoM[PoSITEPRESSUREVESSELDONGWen—Wtl，WANGP