本文關鍵詞：復合材料纏繞壓力容器充壓過程的熱力分析

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【摘要】：復合材料具有比強度和比模量高,熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點,已廣泛地應用于航空航天、汽車工業(yè)、醫(yī)學、化工等領域。采用復合材料纏繞的高壓容器(COPV)具有輕量化、高強度和安全可靠的特點。 航空、航天運載器以及太空中衛(wèi)星,其驅(qū)動,改變方向和精確定位經(jīng)常是通過復合材料纏繞高壓容器噴射氣體來實現(xiàn)的,但是,其在加注和卸載過程中,由于溫度、壓力以及氣體充放速度的影響,容器的性能會發(fā)生很大的變化,為了保證復合材料高壓容器結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,本文對充壓過程中對容器性能影響開展了分析和研究工作。 本文首先簡述了國內(nèi)外復合材料纏繞容器設計和熱力耦合分析的發(fā)展現(xiàn)狀。其次介紹了開展此項課題研究的基本理論和分析方法,其中包括：湍流模型方程,瞬態(tài)熱傳導方程,氣體狀態(tài)方程以及結(jié)構(gòu)分析控制方程和相應的有限元分析的表達式。同時給出了流場、溫度場、壓力場和應力場等多場耦合分析的策略。在此基礎上,采用ANSYS中APDL參數(shù)化建模功能,成功地對復合材料纏繞壓力容器實現(xiàn)了建模,并以一典型容器結(jié)構(gòu)為例,通過Flotran計算得到該容器充壓過程中的容器內(nèi)氣體的壓力場、溫度場和速度場。提取充壓過程中的最大溫度和壓力,加載到容器的1/8有限元模型上,對其進行強度計算,得到容器鋁內(nèi)襯和復合材料層的應力和應變分布云圖。結(jié)果表明：(1)該容器在充氣過程中其溫度場和壓力場變化均未超過正常使用范圍；(2)容器各部分的復合材料纏繞層和鋁內(nèi)襯應力和應變均小于極限應力和應變,說明該容器在充氣過程結(jié)構(gòu)末發(fā)生破壞,仍可正常使用。
【關鍵詞】：壓力容器 充壓 溫度 應力 有限元分析
【學位授予單位】：大連理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2013
【分類號】：TH49;TB33
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 1 緒論8-17
• 1.1 工程研究背景8-10
• 1.2 復合材料纏繞壓力容器應用發(fā)展與設計10-11
• 1.2.1 復合材料纏繞壓力容器的應用與發(fā)展10
• 1.2.2 復合材料壓力容器設計10-11
• 1.3 復合材料纏繞壓力容器充壓熱力分析研究現(xiàn)狀11-15
• 1.3.1 國內(nèi)外試驗研究現(xiàn)狀12-14
• 1.3.2 國內(nèi)外數(shù)值仿真研究現(xiàn)狀14-15
• 1.4 本文研究的技術(shù)路線和內(nèi)容15-17
• 1.4.1 技術(shù)路線15
• 1.4.2 本文內(nèi)容15-17
• 2 復合材料纏繞壓力容器熱-力分析的數(shù)值模型17-31
• 2.1 湍流分析17-20
• 2.1.1 湍動能輸運過程17-18
• 2.1.2 標準k-ε模式模型方程18-20
• 2.2 溫度場及壓力場分析20-23
• 2.2.1 瞬態(tài)熱傳導的溫度場20-23
• 2.2.2 壓力場23
• 2.3 結(jié)構(gòu)應力分析23-30
• 2.3.1 三維正交材料本構(gòu)表達式23-25
• 2.3.2 考慮熱載的復合材料單層板本構(gòu)表達式25-27
• 2.3.3 層合板的剛度矩陣27-30
• 2.3.4 考慮溫度及氣壓的壓力容器應力分析的有限元方程30
• 2.4 本章小結(jié)30-31
• 3 復合材料纏繞氣瓶快速充壓理論模型及有限元模型建立31-42
• 3.1 復合材料纏繞容器熱力分析理論模型31-32
• 3.2 APDL語言介紹32
• 3.3 復合材料的建模32-34
• 3.3.1 單元類型32-34
• 3.3.2 層的屬性34
• 3.4 復合材料纏繞氣瓶充壓有限元模型的建立34-36
• 3.4.1 復合材料纏繞氣瓶結(jié)構(gòu)簡介34-35
• 3.4.2 復合材料纏繞氣瓶充壓初始條件35
• 3.4.3 復合材料纏繞氣瓶充壓有限元模型35-36
• 3.5 復合材料纏繞壓力容器模型有限元分析結(jié)果36-41
• 3.5.1 溫度分布36-38
• 3.5.2 壓力分布38-39
• 3.5.3 速度分布39-41
• 3.6 本章小結(jié)41-42
• 4 復合材料纏繞氣瓶強度分析結(jié)果42-54
• 4.1 復合材料纏繞壓力容器有限元模型的建立42-45
• 4.1.1 金屬內(nèi)襯42-43
• 4.1.2 復合材料封頭段43-44
• 4.1.3 復合材料直筒段44-45
• 4.2 邊界條件45
• 4.3 復合材料纏繞壓力容器模型有限元分析結(jié)果45-53
• 4.3.1 位移分布圖45-47
• 4.3.2 金屬內(nèi)襯應力和應變結(jié)果47-49
• 4.3.3 復合材料層的應力和應變結(jié)果49-52
• 4.3.4 小結(jié)52-53
• 4.4 本章小結(jié)53-54
• 結(jié)論54-55
• 參考文獻55-57
• 攻讀碩士學位期間發(fā)表學術(shù)論文情況57-58
• 致謝58-59

【參考文獻】

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