復(fù)合材料氣瓶應(yīng)力分析及性能優(yōu)化.pdf

1、復(fù)合材料氣瓶作為一種氣體儲(chǔ)罐，以其比強(qiáng)度和比剛度高、抗疲勞性能好、質(zhì)量輕等諸多優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、交通運(yùn)輸、化工、醫(yī)療等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。然而，復(fù)合材料氣瓶的安全性問(wèn)題也逐漸凸顯，已受到相關(guān)學(xué)者和政府的普遍關(guān)注。復(fù)合材料氣瓶在正常工作時(shí)要不斷地進(jìn)行氣體充放，故對(duì)其強(qiáng)度和疲勞性能要求較高;且復(fù)合材料氣瓶是由兩種力學(xué)性能差異較大的材料分別構(gòu)成內(nèi)襯層和復(fù)合材料層，應(yīng)力分布沿著壁厚方向較不均勻。因此，有必要對(duì)復(fù)合材料氣瓶進(jìn)行性能優(yōu)化，減少甚至杜絕

2、危險(xiǎn)事故發(fā)生。
　　本文對(duì)復(fù)合材料氣瓶進(jìn)行應(yīng)力分析和性能優(yōu)化，主要的研究工作和結(jié)論如下:
　　(1)借助ANSYS軟件建立復(fù)合材料氣瓶的有限元模型，分析復(fù)合材料氣瓶在自緊壓力、零壓、水壓試驗(yàn)壓力、工作壓力以及爆破壓力下的應(yīng)力分布，并根據(jù)復(fù)合材料氣瓶強(qiáng)度失效準(zhǔn)則對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行校核。結(jié)果發(fā)現(xiàn):復(fù)合材料氣瓶?jī)?nèi)襯層內(nèi)壁應(yīng)力水平高于外壁，復(fù)合材料層應(yīng)力遠(yuǎn)小于其材料抗拉強(qiáng)度;內(nèi)襯層和復(fù)合材料層的強(qiáng)度均滿(mǎn)足要求。
　　(2)通過(guò)介紹復(fù)

3、合材料氣瓶的自緊原理，對(duì)比自緊處理前后復(fù)合材料氣瓶在各工況下的應(yīng)力分布情況，討論了自緊處理的必要性，進(jìn)而對(duì)復(fù)合材料氣瓶進(jìn)行自緊壓力優(yōu)化。結(jié)果表明:通過(guò)自緊處理，能有效降低復(fù)合材料氣瓶?jī)?nèi)襯的應(yīng)力水平，改善其應(yīng)力分布，提高復(fù)合材料層的纖維利用率;通過(guò)自緊優(yōu)化得到復(fù)合材料氣瓶的最佳自緊壓力為37.9MPa，并經(jīng)過(guò)37.9MPa壓力處理后，工作壓力下復(fù)合材料氣瓶的承載能力提高了11.93％，復(fù)合材料層纖維的利用率提高了1.5倍左右。
　　

4、(3)將纖維混雜法應(yīng)用于復(fù)合材料氣瓶材料和結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)化，在提出“當(dāng)量厚度比”的基礎(chǔ)上，分析混雜比和纖維鋪層方式對(duì)復(fù)合材料氣瓶應(yīng)力分布的影響。結(jié)果表明:混雜比為2∶5時(shí)，復(fù)合材料氣瓶的綜合性能達(dá)到最優(yōu);層間混雜比夾芯混雜更有利于提高復(fù)合材料氣瓶的承載能力。經(jīng)過(guò)優(yōu)化，工作壓力下復(fù)合材料氣瓶的承載能力提高了3.3％;氣瓶復(fù)合材料層的體積減少了30.3％，質(zhì)量降低了36.3％，在提高復(fù)合材料氣瓶承載能力的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料層厚度的優(yōu)化。