本文關(guān)鍵詞：復(fù)合材料壓力容器熱力耦合應(yīng)力分析，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：壓力容器是一種可能引起爆炸或中毒等危害性較大事故的特種設(shè)備,其設(shè)計、制造、檢驗與驗收需要嚴(yán)格依照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。目前,現(xiàn)行的壓力容器規(guī)范規(guī)定壓力容器材料不能存在各向不均勻性,大多將容器器壁簡化為均勻受力的薄膜進行強度計算,以薄膜應(yīng)力來描述整個容器的應(yīng)力水平。然而,對于非均勻的復(fù)合材料壓力容器,如復(fù)合鋼板壓力容器、纖維纏繞壓力容器和功能梯度材料涂層壓力容器,原則上上述設(shè)計方法已不再適用,生產(chǎn)中多采用以犧牲成本(材料)換安全的簡化方法。因此,對于這三類新型復(fù)合材料壓力容器熱力耦合力學(xué)行為及結(jié)構(gòu)強度設(shè)計方法研究迫在眉睫。 為此,本文提出對復(fù)合鋼板壓力容器、纖維纏繞壓力容器、功能梯度材料涂層壓力容器這三類典型復(fù)合材料壓力容器在熱力耦合力學(xué)作用下應(yīng)力進行研究,并基于有限元數(shù)值技術(shù)分別建立了該三類容器數(shù)值模型加以驗證理論模型準(zhǔn)確性。最后,對這三類壓力容器結(jié)構(gòu)受力特點進行了詳細討論和優(yōu)化,旨在為今后這類新型復(fù)合材料壓力容器的規(guī)范設(shè)計提供有力的理論依據(jù)和技術(shù)支持。其主要研究工作如下： (1)通過創(chuàng)新性引入一個軸向擠壓力,推導(dǎo)了多層復(fù)合鋼板壓力容器在熱力耦合作用下三向應(yīng)力計算一般表達式,并基于有限元方法建立該多層復(fù)合鋼板壓力容器數(shù)值模型,驗證了理論推導(dǎo)結(jié)果的正確性。另外,在數(shù)值解的基礎(chǔ)上,對復(fù)合鋼板壓力容器應(yīng)力分布特性進行了詳細討論。研究發(fā)現(xiàn),對于多層結(jié)構(gòu)容器,在溫度載荷作用下,出現(xiàn)軸向應(yīng)力大于環(huán)向應(yīng)力的情況,有別于常規(guī)容器應(yīng)力分布,另外多層容器邊緣應(yīng)力同樣具有局部性,峰值應(yīng)力影響范圍與常規(guī)容器相當(dāng)。 (2)基于線彈性和小應(yīng)變理論,考慮各項同性傳熱條件下,對含金屬內(nèi)襯纖維纏繞壓力容器在熱力耦合作用下的三向應(yīng)力進行了理論推導(dǎo),并基于有限元數(shù)值建模方法驗證了理論推導(dǎo)的正確性。另外,考慮到自增強工藝需要,基于有限元方法建立了含金屬內(nèi)襯纖維纏繞壓力容器的彈塑性數(shù)值模型,分別計算了在預(yù)緊壓力、卸載零壓力以及工作壓力三種工況下的應(yīng)力。結(jié)果表明：預(yù)緊處理可以顯著改善工作載荷下纖維層的應(yīng)力分布,充分發(fā)揮復(fù)合材料高強度的特點,提高壓力容器的強度和抗疲勞性能。 (3)通過引入功能梯度材料冪函數(shù)物性參數(shù)模型和變系數(shù)微分方程的Euler法,對含功能梯度材料涂層壓力容器在熱力耦合作用下的三向應(yīng)力進行了理論推導(dǎo),通過聯(lián)立物理方程、幾何方程、平衡方程和邊界條件得到三向應(yīng)力解析解,并基于有限元方法建立功能梯度材料涂層壓力容器在熱力耦合作用下數(shù)值模型,數(shù)值解驗證了理論推導(dǎo)結(jié)果正確性。最后,在數(shù)值解的基礎(chǔ)上,討論功能梯度材料涂層的界面效應(yīng)和耐熱性能,結(jié)果表明：功能梯度材料可以有效的消除多層結(jié)構(gòu)壓力容器界面應(yīng)力突變,顯著提升了壓力容器的承載性能。
【關(guān)鍵詞】：壓力容器 復(fù)合材料 熱力耦合分析 纖維纏繞 有限元
【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】：2013
【分類號】：TH49
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 引言11-12
• 1 緒論12-21
• 1.1 壓力容器發(fā)展概況12-13
• 1.2 復(fù)合材料壓力容器13-16
• 1.2.1 復(fù)合鋼板壓力容器13-14
• 1.2.2 纖維纏繞壓力容器14-15
• 1.2.3 功能梯度材料壓力容器15-16
• 1.3 復(fù)合材料壓力容器結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析研究現(xiàn)狀16-19
• 1.3.1 復(fù)合鋼板壓力容器結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析現(xiàn)狀16
• 1.3.2 纖維纏繞壓力容器結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析現(xiàn)狀16-17
• 1.3.3 功能梯度壓力容器結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析現(xiàn)狀17-19
• 1.4 問題提出與研究內(nèi)容19-21
• 1.4.1 問題提出19
• 1.4.2 本文主要研究內(nèi)容19-21
• 2 復(fù)合鋼板壓力容器熱力耦合應(yīng)力分析21-36
• 2.1 復(fù)合鋼板壓力容器結(jié)構(gòu)應(yīng)力計算問題分析21
• 2.2 復(fù)合鋼板壓力容器筒體應(yīng)力推導(dǎo)21-29
• 2.2.1 問題解決方案21-23
• 2.2.2 穩(wěn)態(tài)傳熱方程23-24
• 2.2.3 基本方程24
• 2.2.4 邊界條件24-28
• 2.2.5 應(yīng)力計算式28-29
• 2.3 復(fù)合鋼板壓力容器半球型封頭應(yīng)力推導(dǎo)29-30
• 2.3.1 基本方程29
• 2.3.2 邊界條件29-30
• 2.3.3 應(yīng)力計算公式30
• 2.4 理論公式的數(shù)值驗證30-35
• 2.4.1 多層復(fù)合鋼板壓力容器有限元建模30-32
• 2.4.2 結(jié)果驗證32-33
• 2.4.3 結(jié)果討論與分析33-35
• 2.5 本章小結(jié)35-36
• 3 纖維纏繞壓力容器熱力耦合應(yīng)力分析36-57
• 3.1 纖維纏繞結(jié)構(gòu)強度設(shè)計準(zhǔn)則36-38
• 3.1.1 纖維纏繞壓力容器的預(yù)緊處理技術(shù)36-37
• 3.1.2 纖維纏繞結(jié)構(gòu)的強度準(zhǔn)則37-38
• 3.2 ANSYS結(jié)構(gòu)非線性分析38-42
• 3.2.1 結(jié)構(gòu)非線性38-39
• 3.2.2 彈塑性分析39-40
• 3.2.3 ANSYS非線性分析40-42
• 3.3 纖維纏繞壓力容器筒體熱力耦合彈性解析解的推導(dǎo)42-50
• 3.3.1 各項同性傳熱模型42
• 3.3.2 基本方程42-46
• 3.3.3 邊界條件和解析解46-47
• 3.3.4 論公式數(shù)值驗證47-50
• 3.4 纖維纏繞壓力容器彈塑性有限元建模50-56
• 3.4.1 有限元建模50-53
• 3.4.2 結(jié)果分析與討論53-56
• 3.5 本章小結(jié)56-57
• 4 功能梯度涂層壓力容器熱力耦合應(yīng)力分析57-72
• 4.1 功能梯度材料物性分布模型57-59
• 4.1.1 材料模型57
• 4.1.2 溫度分布模型57-58
• 4.1.3 功能梯度涂層壓力容器結(jié)構(gòu)示意圖58-59
• 4.2 功能梯度涂層壓力容器筒體應(yīng)力推導(dǎo)59-63
• 4.2.1 在內(nèi)壓和溫度載荷下基本方程59-60
• 4.2.2 三向應(yīng)力推導(dǎo)60-61
• 4.2.3 邊界條件和解析解61-63
• 4.3 功能梯度涂層壓力容器半球型封頭應(yīng)力推導(dǎo)63-65
• 4.3.1 在內(nèi)壓和溫度載荷下基本方程63
• 4.3.2 三向應(yīng)力推導(dǎo)63-64
• 4.3.3 邊界條件和解析解64-65
• 4.4 理論公式數(shù)值驗證65-70
• 4.4.1 有限元建模65-67
• 4.4.2 結(jié)果驗證67-68
• 4.4.3 結(jié)果分析與討論68-70
• 4.5 本章小結(jié)70-72
• 5 結(jié)論與展望72-74
• 5.1 研究工作總結(jié)72-73
• 5.2 今后研究展望73-74
• 參考文獻74-79
• 附錄A 矩陣系數(shù)79-83
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表學(xué)術(shù)論文情況83-84
• 致謝84-85

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 段成紅;吳祥;羅翔鵬;;碳纖維纏繞復(fù)合氣瓶爆破壓力的有限元分析[J];玻璃鋼/復(fù)合材料;2012年02期

2 李云凱,王勇,鐘家湘;功能梯度材料[J];材料導(dǎo)報;2002年10期

3 吳曉丹;鄭津洋;陳勇軍;鄧貴德;孫國有;馬圓圓;;離散多層圓筒在熱沖擊載荷下的彈性動力響應(yīng)[J];工程力學(xué);2008年01期

4 陳汝訓(xùn);;纖維纏繞圓環(huán)壓力容器設(shè)計分析[J];固體火箭技術(shù);2006年06期

5 吳耀楚,胡俊,李鵬;具有金屬內(nèi)襯的纖維增強復(fù)合材料壓力容器的應(yīng)力分析[J];化工裝備技術(shù);2003年05期

6 陳浩然,息志臣,李宏偉,成萬植,孫延波;復(fù)合材料層合回轉(zhuǎn)殼瞬態(tài)溫度場和熱應(yīng)力場分析[J];航空學(xué)報;1991年05期

7 陳建鈞;涂善東;軒福貞;王正東;;熱—機械載荷下梯度材料圓筒的應(yīng)力分析[J];機械工程學(xué)報;2007年12期

8 鄭紅霞,李寶寬,昌澤舟;金屬復(fù)合板生產(chǎn)方法的發(fā)展現(xiàn)狀[J];煉鋼;2001年02期

9 張曉東;李軍;薛明德;;復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)的熱和力學(xué)分析[J];清華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版);2006年05期

10 陳汝訓(xùn);纖維纏繞壓力容器爆破壓強計算[J];宇航材料工藝;2000年06期

  本文關(guān)鍵詞：復(fù)合材料壓力容器熱力耦合應(yīng)力分析，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

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本文編號：313025