【摘要】： 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(Fiber Reinforced Plastics,GFRP)以其比強(qiáng)度和比模量高、結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性好及耐腐蝕性能好,等諸多優(yōu)點(diǎn)而廣泛地應(yīng)用在航空航天、汽車、造船、化工、建筑等軍工和民用領(lǐng)域。隨著復(fù)合材料氣瓶的廣泛應(yīng)用,通過科學(xué)合理的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)來減輕結(jié)構(gòu)重量,提高性價比,對實(shí)現(xiàn)安全和經(jīng)濟(jì)的有效統(tǒng)一具有重大意義。本文主要是引入可靠性理論,對GFRP纏繞壓力容器可靠性設(shè)計(jì)研究�？煽啃栽O(shè)計(jì)理論和分析方法解決了傳統(tǒng)安全系數(shù)法設(shè)計(jì)不考慮材料性能隨機(jī)性問題,對結(jié)構(gòu)功能的重要影響因素沒有科學(xué)量化,經(jīng)濟(jì)性低的弊端。因此,發(fā)展和完善可靠性理論及分析方法對于壓力容器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和安全評定具有十分重要的意義。 對GFWRP壓力容器進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)和制備,并通過高強(qiáng)玻璃纖維束紗強(qiáng)度力學(xué)性能隨機(jī)測試和玻璃纖維纏繞壓力容器水壓爆破試驗(yàn),獲取得纖維纏繞壓力容器的、載荷效應(yīng)和結(jié)構(gòu)抗力等參量的隨機(jī)特征值。同時根據(jù)Kolmogorov-Smirnov檢驗(yàn)法,獲得各設(shè)計(jì)隨機(jī)變量(玻璃纖維束紗強(qiáng)度、壓力容器纏繞工藝參數(shù)及幾何尺寸)的最優(yōu)概率統(tǒng)計(jì)分布。 根據(jù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠性理論和復(fù)合材料結(jié)構(gòu)力學(xué)理論及網(wǎng)格理論,分別采用可靠性理論設(shè)計(jì)和傳統(tǒng)安全系數(shù)法分別對GFRP纏繞壓力容器的纖維層壁厚和纖維設(shè)計(jì)應(yīng)力進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。傳統(tǒng)安全系數(shù)法設(shè)計(jì)結(jié)果較大,可靠性設(shè)計(jì)與可靠性安全系數(shù)法設(shè)計(jì)結(jié)果基本相同,且隨著纖維強(qiáng)度離散系數(shù)越小時,設(shè)計(jì)壁厚越薄,相對的纖維設(shè)計(jì)應(yīng)力越大。 在試驗(yàn)基礎(chǔ)上,結(jié)合可靠性設(shè)計(jì)和傳統(tǒng)安全系數(shù)法推導(dǎo)出GFWRP壓力容器的“可靠性安全系數(shù)”。它不僅能體現(xiàn)設(shè)計(jì)簡便性和科學(xué)性,同時具有很強(qiáng)的實(shí)用性。 由于復(fù)合材料性能本身的復(fù)雜性和制造工藝過程中諸多不確定性因素都會導(dǎo)致纖維纏繞壓力容器基本設(shè)計(jì)變量與其幾何尺寸都存在很大的隨機(jī)不確定性。因此,在考慮材料性能的同時,控制好復(fù)合材料成型工藝過程,對提高產(chǎn)品性價比也有著重大意義和經(jīng)濟(jì)價值。
【圖文】：

環(huán)向纏繞向纏繞是沿內(nèi)襯圓周方向進(jìn)行的纏繞。其特點(diǎn)為:纏繞只能在筒身不能纏到封頭上去，纖維纏繞的角度通常接近 90°。 縱向纏繞向纏繞又稱平面纏繞，纖維纏繞軌跡是一條單圓平面封閉曲線。在中，導(dǎo)絲頭在固定平面內(nèi)作勻速圓周運(yùn)動，芯模繞自軸慢速旋轉(zhuǎn)。 螺旋纏繞旋纏繞也稱測地線纏繞。纏繞時芯模繞自軸勻速轉(zhuǎn)動，導(dǎo)絲頭按特芯模軸線方向往復(fù)運(yùn)動。這樣就在芯模的筒身和封頭上實(shí)現(xiàn)了螺旋纏繞角度約為 12°~70°。實(shí)際的纏繞成型中，一般采用多種線型進(jìn)行纏繞，這樣可以充分發(fā)料各向異性的特點(diǎn)，如螺旋加環(huán)向纏繞、螺旋加縱向纏繞等[14,15纏繞線型組成的網(wǎng)格微元如圖 1-1：

圖 2-1 強(qiáng)度-應(yīng)力干涉模型般情況下，上式中的積分沒有封閉解。但若S1，S2，，為獨(dú)立隨機(jī)均服從正態(tài)分布，則隨機(jī)變量Z也服從正態(tài)分布，且其均值與標(biāo)準(zhǔn)：Z 21μ = μ μ，2 2Z2 1σ = σ + σ(2式中1μ ，2μ 和1σ ，2σ -分別為 ， 的均值與標(biāo)準(zhǔn)差。引進(jìn)參1S2S)ZZμσ 再進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，得：( )(00ZfZPμφσ = = φ u) (2式中φ -為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù)， 2 1022 1ZZu2μ μ μσσ σ = =+，稱為可，由Cornell于 1969 年提出。因而，只要解得可靠性指標(biāo) 的值，0u
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2009
【分類號】：TH49

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本文編號：2688174