復合材料具有比強度高、比模量大、耐腐蝕、抗疲勞性能好及可設計性強等優(yōu)點。由復合材料制成的纖維纏繞復合氣瓶以其工作壓力高、重量輕、安全可靠性好的特點而被廣泛地應用于各個工程領域。 本文通過性能的對比分析選擇了制造纖維纏繞復合氣瓶的材料,根據(jù)網(wǎng)格理論完成了纖維纏繞復合氣瓶的結構設計。建立了全參數(shù)化的復合氣瓶有限元三維模型、建立各種壓力工況(自緊壓力、零壓力、工作壓力、水壓試驗壓力、最小爆炸壓力等)的載荷模型與邊界約束條件；對纖維纏繞復合氣瓶的應力計算結果進行了分析,結果符合標準要求；通過施加自緊壓力,可以有效降低工作壓力下氣瓶鋁合金內(nèi)膽材料的應力水平,實現(xiàn)了在零內(nèi)壓條件下,氣瓶內(nèi)膽處于其壓縮屈服極限應力為60%-95%的最佳應力范圍,提高氣瓶的疲勞壽命。 為了驗證纖維纏繞復合氣瓶進行ANSYS有限元分析設計的正確性,同時也為了得到復合材料氣瓶極限承載能力,及復合氣瓶在各個壓強下應變數(shù)據(jù),根據(jù)標準的要求,進行了水壓爆破試驗、常溫壓力循環(huán)試驗、高低溫試驗、高溫蠕變試驗、跌落試驗、裂紋容限試驗、火燒試驗、槍擊試驗等多項驗證性試驗。結果表明,各項指標均滿足標準規(guī)定要求,因此設計方案是合理可靠的。

【文章頁數(shù)】：79 頁

【學位級別】：碩士

【文章目錄】：
摘要
Abstract
第1章 緒論
    1.1 研究背景
    1.2 復合材料的性能特點
    1.3 纖維纏繞復合氣瓶的發(fā)展狀況
    1.4 纖維纏繞復合氣瓶的標準狀況
        1.4.1 纖維纏繞復合材料壓力容器
        1.4.2 呼吸器用纖維纏繞復合氣瓶
        1.4.3 車用壓縮天然氣氣瓶
        1.4.4 壓縮氣體和液化氣體用纖維纏繞復合材料氣瓶
        1.4.5 美國航天和星際航空協(xié)會(AIAA)
        1.4.6 我國的纖維纏繞復合氣瓶的標準狀況
    1.5 本課題的主要研究內(nèi)容
第2章 復合材料的力學理論分析
    2.1 各向異性體彈性力學基礎
        2.1.1 各向異性體和的應力-應變關系(層合板理論)
            2.1.1.1 一般情況
            2.1.1.2 有一個彈性對稱面的情況
            2.1.1.3 正交各向異性的情況
        2.1.2 各向異性體的工程彈性常數(shù)
            2.1.2.1 工程彈性常數(shù)與模量分量、柔量分量之間的關系
            2.1.2.2 工程彈性常數(shù)的取值范圍
            2.1.2.3 二維正交各向異性體材料的應力-應變關系
    2.2 纖維纏繞復合氣瓶網(wǎng)格理論分析
        2.2.1 網(wǎng)格分析的基本概念
        2.2.2 纖維纏繞復合氣瓶筒身段的網(wǎng)格分析
        2.2.3 纖維纏繞復合氣瓶封頭段的網(wǎng)格分析
    2.3 復合材料的失效準則
        2.3.1 最大應力失效準則和最大應變失效準則
        2.3.2 蔡-希爾(Tsai-Hill)失效準則
    2.4 本章小結
第3章 纖維纏繞復合氣瓶材料的選用
    3.1 纖維纏繞復合氣瓶內(nèi)膽材料的選用
    3.2 纏繞層復合材料的選用
        3.2.1 纖維的選用
        3.2.2 樹脂基體的選用
    3.3 本章小結
第4章 纖維纏繞復合氣瓶的設計
    4.1 纖維纏繞復合氣瓶的設計
        4.1.1 維纏繞復合氣瓶的技術指標
        4.1.2 纖維纏繞復合氣瓶的結構
        4.1.3 內(nèi)膽的設計
        4.1.4 纖維纏繞層的設計
            4.1.4.1 工藝參數(shù)
            4.1.4.2 強度計算
            4.1.4.3 環(huán)向纏繞強度計算
            4.1.4.4 縱向纏繞強度計算
            4.1.4.5 纖維層裂紋損傷校核
    4.2 有限元分析方法
        4.2.1 有限元分析方法的技術路線
        4.2.2 ANSYS有限元分析軟件
    4.3 纖維纏繞復合氣瓶有限元模型的建立
    4.4 纖維纏繞復合氣瓶應力計算結果與分析
        4.4.1 纖維纏繞復合氣瓶應力分布要求
        4.4.2 纖維纏繞復合氣瓶應力計算結果
            4.4.2.1 0壓力下計算結果
            4.4.2.2 工作壓力30MPa下計算結果
            4.4.2.3 試驗壓力45MPa下計算結果
            4.4.2.4 爆破壓力90MPa下計算結果
        4.4.3 纖維纏繞復合氣瓶應力計算結果分析
        4.4.4 纖維纏繞復合氣瓶自緊的原理和結果分析
            4.4.4.1 纖維纏繞復合氣瓶自緊的原理
            4.4.4.2 纖維纏繞復合氣瓶自緊工藝的有效性分析
    4.5 本章小結
第5章 纖維纏繞復合氣瓶的設計結果驗證
    5.1 水壓爆破試驗
    5.2 常溫壓力循環(huán)試驗
    5.3 高低溫試驗
    5.4 高溫蠕變試驗
    5.5 跌落試驗
    5.6 裂紋容限試驗
    5.7 槍擊試驗
    5.8 火燒試驗
    5.9 本章小結
第6章 結論和展望
    6.1 結論
    6.2 展望
參考文獻
致謝



本文編號：3773766