【摘要】： 采用復(fù)合材料制成的全纏繞復(fù)合氣瓶主要應(yīng)用于氫燃料電池汽車高壓儲(chǔ)氫容器、呼吸器及車用壓縮天然氣燃料氣瓶等領(lǐng)域。這類氣瓶綜合了復(fù)合材料的高比強(qiáng)度、可設(shè)計(jì)性以及內(nèi)襯的良好氣密性、優(yōu)良的耐蝕性等諸多優(yōu)點(diǎn),使其達(dá)到高承壓能力、高疲勞壽命、質(zhì)輕、耐腐蝕等優(yōu)良性能的完美結(jié)合。國(guó)外已經(jīng)用它來(lái)取代鋼制氣瓶。近年來(lái),我國(guó)也在對(duì)鋁膽復(fù)合氣瓶進(jìn)行研制,并逐步推廣使用。目前,復(fù)合氣瓶的有限元分析技術(shù)和高效、可靠、實(shí)用的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)已成為重要的研究課題。將有限元數(shù)值分析和優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用于全纏繞復(fù)合氣瓶的設(shè)計(jì)中,在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段可以提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性,改善壓力容器的性能,有效地縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期和費(fèi)用。 本課題是武漢理工大學(xué)復(fù)合材料纏繞裝備所的預(yù)研項(xiàng)目,主要針對(duì)全纏繞復(fù)合氣瓶開展以下幾個(gè)方面的研究: (1)確定全纏繞復(fù)合氣瓶的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。以網(wǎng)格理論為基礎(chǔ),結(jié)合纖維纏繞工藝要求和氣瓶容積約束條件,設(shè)計(jì)了某一型號(hào)的全纏繞復(fù)合氣瓶?jī)?nèi)襯和復(fù)合材料纏繞層的結(jié)構(gòu),確定了內(nèi)襯的幾何尺寸、螺旋纏繞層和環(huán)向纏繞層的纏繞角度和厚度。 (2)復(fù)合材料纏繞層力學(xué)分析。運(yùn)用彈性力學(xué)理論對(duì)復(fù)合材料纏繞層進(jìn)行理論分析,采用正交各向異性單層材料的強(qiáng)度理論和層合板理論進(jìn)行強(qiáng)度校核。 (3)全纏繞復(fù)合氣瓶有限元分析和評(píng)價(jià)。在ANSYS中采用層單元規(guī)劃建立了與復(fù)合氣瓶力學(xué)特性盡可能一致的全參數(shù)化有限元模型,實(shí)現(xiàn)了封頭段螺旋纏繞層的變厚和變角度,建立了復(fù)合氣瓶結(jié)構(gòu)非線性有限元分析流程,采用美國(guó)DOT-CFFC設(shè)計(jì)準(zhǔn)則對(duì)復(fù)合氣瓶五種工況下的有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。研究了復(fù)合氣瓶自緊的原理,對(duì)比分析了自緊處理前后的計(jì)算結(jié)果。 (4)整體優(yōu)化設(shè)計(jì)。按照DOT-CFFC設(shè)計(jì)準(zhǔn)則建立了復(fù)合氣瓶?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型,采用有限元優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究了自緊壓力、鋪層角度、鋪層厚度對(duì)復(fù)合氣瓶性能的影響因素,并分別以工作壓力條件下內(nèi)襯應(yīng)力和氣瓶容重比為目標(biāo)函數(shù),對(duì)復(fù)合氣瓶整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了多層優(yōu)化設(shè)計(jì),確定了最佳設(shè)計(jì)方案。
【圖文】：

筒身和封頭的連接處為應(yīng)力集中區(qū)，對(duì)該區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行了加密。氣瓶共劃分2420個(gè)SHELL99單元和4840個(gè)SOLID95單元，27713個(gè)節(jié)點(diǎn)，劃分網(wǎng)格后的復(fù)合氣瓶1/2有限元模型如圖4一5所示。八拍、攘攘靴娜 娜萎葵紛紛輟藉攜攜露黝錫 錫 魏魏黝鷺霎 霎黝楊 楊裸鑒罄罄鑫)罄囊黔 黔 戶戶戶姍考奎{緲 緲;漁選 選祥搬 搬鬢聚緩繃 繃 尹尹尹姍燕紛 紛誠(chéng) 誠(chéng);墓 ---探女粉、、一一 姍 姍 姍 姍 姍姍丈透澎 澎 娜 娜娜哪注 注扮扮如如廠廠一飾 飾攀粉堆 堆 口口口助姐吻吻仁湯 湯扮扮鈞鈞粉粉一車施施艇漁七 七撇靴舞舞碧碧碧撇翰 翰耗沐二 二打打粉粉戮黯撇… …招招招趣鞍 鞍耳、節(jié)睡棄棄宋_孤 孤戳巍戮… …刃刃刃粼運(yùn)致致于認(rèn) 認(rèn)慮禮 禮曝曝肇毅 毅刃刃刃量鱺 鱺 禮 禮艘樸 樸彝曝巍黔 ...口口口鞠翻 翻如· ·~愉 愉纂蘸黔竇貓 貓娜娜瓶球 球解出書曰幼， ---蘸巍彝巍茲 茲艦 艦艦亡照班價(jià)莖縈魏幼幼 幼圖4一5復(fù)合氣瓶有限元網(wǎng)格模型

武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文圖4一4筒身段單元鋪層形式 4.1.4網(wǎng)格生成在ANSYS前處理中建立了氣瓶三維實(shí)體模型。內(nèi)襯部分用SOLID95單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，為了保證分析精度，在殼體厚度上保證至少有兩層單元。在內(nèi)襯實(shí)體的外表面用SHELL99單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格建立復(fù)合材料層，層單元的節(jié)點(diǎn)偏置于復(fù)合層底面。利用單元節(jié)點(diǎn)偏置功能，將兩種單元連接起來(lái)，并合并相同位置節(jié)點(diǎn)。對(duì)于全纏繞復(fù)合氣瓶，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，為了保證單元形狀的規(guī)則，不使局部區(qū)域出現(xiàn)較大的計(jì)算誤差或矩陣奇異而終止計(jì)算，均采用映射網(wǎng)格劃分。筒身和封頭的連接處為應(yīng)力集中區(qū)，對(duì)該區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行了加密。氣瓶共劃分2420個(gè)SHELL99單元和4840個(gè)SOLID95單元，27713個(gè)節(jié)點(diǎn)
【學(xué)位授予單位】：武漢理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2008
【分類號(hào)】：TH49

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本文編號(hào)：2592831