【摘要】： 具有金屬內(nèi)膽和纖維層的復(fù)合氣瓶以其比強(qiáng)度和比剛度高、抗疲勞性、抗震和密封性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)而被廣泛地應(yīng)用于航天、航空、.汽車、造船、化工、機(jī)械、建筑和能源等各個(gè)工程領(lǐng)域。隨著復(fù)合氣瓶的廣泛應(yīng)用,復(fù)合氣瓶進(jìn)行科學(xué)和準(zhǔn)確的應(yīng)力分析不僅有助于氣瓶設(shè)計(jì)和加工工藝的研究,而且有利于氣瓶的安全評估。由于有限元方法已成熟的應(yīng)用于各個(gè)工程領(lǐng)域和計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力的大幅度提高,有限元法已是研究復(fù)合氣瓶的重要手段。借助ANSYS有限元分析軟件,采用有限元分析方法,對復(fù)合氣瓶鋼制內(nèi)膽進(jìn)行力學(xué)分析,建立了復(fù)合氣瓶用于分析纏繞過程中金屬內(nèi)膽的力學(xué)模型;利用ANSYS參數(shù)化的優(yōu)勢(APDL),對模型的結(jié)構(gòu)尺寸和網(wǎng)格劃分、約束條件、求解等進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)。 以外徑406mm、壁厚5mm的氣瓶金屬內(nèi)膽為研究對象,對環(huán)向纏繞的復(fù)合氣瓶展開以下幾方面的研究: (1)對氣瓶的邊界、接觸條件和材料特性以及單元選擇進(jìn)行分析,建立軸對稱結(jié)構(gòu)的三維實(shí)體有限元模型,并對模型進(jìn)行驗(yàn)證,結(jié)果表明此模型是正確的。 (2)將繞帶張力轉(zhuǎn)化為對內(nèi)膽的當(dāng)量外壓力,對氣瓶內(nèi)膽進(jìn)行分析,采用逐層纏繞的方法,進(jìn)行計(jì)算。結(jié)果表明:由纏繞張力對內(nèi)膽氣瓶進(jìn)行逐層環(huán)向纏繞產(chǎn)生了一定預(yù)應(yīng)力,且氣瓶內(nèi)膽的簡體的應(yīng)力狀態(tài)處于壓應(yīng)力狀態(tài):由纏繞張力引起的當(dāng)量外壓P與內(nèi)膽的應(yīng)力呈線性關(guān)系;碳纖維纏繞層數(shù)的增多,內(nèi)膽的應(yīng)力增大,且增大的趨勢在減小:隨纖維纏繞層的增加,內(nèi)膽應(yīng)力的增量在逐漸減小。 (3)進(jìn)行預(yù)應(yīng)力復(fù)合氣瓶進(jìn)行自緊壓力分析,結(jié)果表明:自緊壓力能夠降低工作壓力時(shí)氣瓶內(nèi)膽的應(yīng)力水平,從而提高氣瓶承載能力;自緊后卸壓狀態(tài)下氣瓶內(nèi)膽和纖維層應(yīng)力隨自緊壓力的增大而增大:自緊壓力的優(yōu)化設(shè)計(jì)可以有效提高氣瓶的承載能力;較小的纏繞張力引起的當(dāng)量外壓能夠降低工作壓力時(shí)氣瓶內(nèi)膽應(yīng)力水平;工作壓力下,氣瓶纖維層層數(shù)的改變,對氣瓶內(nèi)膽應(yīng)力水平影響較小,但對碳纖維纏繞層的應(yīng)力水平影響較大。
【圖文】：

于碳纖維纏繞層而言，將其視為層合板瑪侖處理。通過實(shí)體單元和3D正交各向異性來模擬碳纖維纏繞層。筒體結(jié)構(gòu)的幾何形狀和纏繞方式?jīng)Q定了不取整個(gè)筒體長度作為研究對象，而只取帶寬長度的筒體的一部分作為其研究對象。圖4.1是碳纖維復(fù)合層對內(nèi)膽纏繞完畢后的3D實(shí)體單元圖，其結(jié)構(gòu)內(nèi)膽外徑406mm，厚度smm，內(nèi)膽采用了Solid45單元，碳纖維纏繞層采用了Solid64單元。由公式 (1.1)可知，設(shè)置當(dāng)量外壓P=0.01一O.IMPa。圖4.1金屬內(nèi)膽和碳纖維纏繞層的30實(shí)體單元圖 F19.4.1Threedimensionalsolidele一刀entPiettlreofinner andeax·bon抓 berhooP一 wraPpedlayers

圖4.7模型的x方向應(yīng)力F19.4.7Stressofxthedirectionofmodel吸(4.1)、(4.2)和(4.3)四解析式可計(jì)算出每一次纏繞內(nèi)膽環(huán)向應(yīng)力值為O.375MPa，第二次纏繞后內(nèi)膽環(huán)繞后內(nèi)膽環(huán)向應(yīng)力值為1.01MPa，而通過數(shù)值計(jì)算之為O.389MPa，，第二次纏繞后內(nèi)膽環(huán)向應(yīng)力值為O.72值為O.974MPa。其誤差分析公式是(4.4)。、_、，_…理論值一數(shù)值計(jì)算值1誤麥值=一一一一一一二棄不丁下工二—火IU0%理化1且次纏繞后的誤差為3石2%，第二次纏繞后的誤差為2%。可見誤差是非常小的，在工程中完全可以接受的，，也就是說用此有限元模型是可以完全模擬纖維纏繞的建立
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2009
【分類號】：TH49

【引證文獻(xiàn)】

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本文編號：2686530