具有金屬內(nèi)襯的纖維纏繞壓力容器優(yōu)化設(shè)計(jì)及分析.pdf

1、復(fù)合材料有別于傳統(tǒng)材料，是由兩種以及兩種以上的材料復(fù)合而成。取各個(gè)材料之長(zhǎng)，從而達(dá)到最優(yōu)的結(jié)構(gòu)性能和強(qiáng)度等[1]。增強(qiáng)材料采用金屬和纖維纏繞復(fù)合材料，這樣不僅能使成本降低，而且其強(qiáng)度也超過(guò)一般的復(fù)合材料。航空中的基本結(jié)構(gòu)件，工業(yè)用機(jī)械設(shè)備、海洋用的高級(jí)結(jié)構(gòu)材料、車輛設(shè)計(jì)中的驅(qū)動(dòng)軸和彈簧等基礎(chǔ)設(shè)旌使得混合纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的試用機(jī)會(huì)日益增多[4]。具有金屬內(nèi)襯的復(fù)合材料壓力容器以其顯著的特點(diǎn)越來(lái)越廣泛的在各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著作用。
　　本文

2、主要介紹了具有金屬內(nèi)襯的復(fù)合材料壓力容器，通過(guò)對(duì)復(fù)合材料壓力容器的相關(guān)知識(shí)的了解，在了解理論知識(shí)的基礎(chǔ)上進(jìn)行研究。其中包括對(duì)其力學(xué)性能以及外層纖維纏繞特性的介紹和分析。并且針對(duì)某一特定算例的壓力容器進(jìn)行軟件模擬計(jì)算，求得相應(yīng)條件下的受力狀況并進(jìn)行分析比較，給出合理的參數(shù)設(shè)計(jì)。最后基于遺傳算法對(duì)外層纖維的纏繞順序進(jìn)行優(yōu)化，得到一組纖維性能最優(yōu)的較為理想的纖維纏繞順序。
　　本文首先運(yùn)用MATLAB軟件計(jì)算了在給定內(nèi)壓條件下具有金屬內(nèi)

3、襯的復(fù)合材料壓力容器的外部復(fù)合層的厚度，分別比較了在不同內(nèi)壓、容器半徑條件下12種不同纏繞角時(shí)厚度的變化規(guī)律。當(dāng)給定的壓強(qiáng)，筒身半徑一定時(shí)，其環(huán)向纏繞纖維層的厚度和螺旋向纖維纏繞的厚度隨纏繞角不同發(fā)生改變，但二者的厚度之和是一定值。纖維纏繞總厚度與初始纏繞角沒(méi)有關(guān)系;隨著壓強(qiáng)的增大，其所要求的厚度和有所增加。并且在纏繞到一定角度的時(shí)候，將出現(xiàn)一個(gè)純的螺旋纏繞厚度;在給定的壓強(qiáng)和應(yīng)力條件下，隨著筒身半徑的增加所需纏繞的纖維厚度也需要增加。

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　　其次，運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)幾種不同纏繞角度的壓力容器進(jìn)行受力分析，通過(guò)對(duì)給定參數(shù)的壓力容器進(jìn)行建模、劃分網(wǎng)格、施加約束和邊界條件及分析計(jì)算，得出幾組不同纏繞角度下的壓力容器的受力分析結(jié)果，通過(guò)比較分析幾種結(jié)果，可以看出:①八層±45°、兩層90°的纏繞形式對(duì)內(nèi)襯有更好的保護(hù)作用;②其他不同纏繞角度的纏繞形式中，各層中螺旋纏繞層的軸向應(yīng)力基本接近，環(huán)向應(yīng)力亦基本接近;③隨著螺旋纏繞角的增大，即螺旋纏繞角從±15°到±45°變化

5、的過(guò)程中，環(huán)向應(yīng)力和軸向應(yīng)力差別逐漸減小，受力分配逐漸均勻;④在螺旋纏繞層纏繞角不變的情況下，環(huán)形纏繞層位于中間時(shí)金屬內(nèi)襯與纖維接觸面的徑向應(yīng)力大于其位于兩端的情況，環(huán)向纏繞層位于內(nèi)側(cè)時(shí)徑向應(yīng)力較小。
　　第三，為了獲得外層纖維纏繞順序的最佳結(jié)果，本文以筒身變形最小值為目標(biāo)函數(shù)，采用遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，運(yùn)用MATLAB軟件對(duì)優(yōu)化程序進(jìn)行編碼計(jì)算分析，計(jì)算結(jié)果表明:在不設(shè)定特定纏繞角度時(shí)，[90°2/90°2/0°2/±45°/±