自紧压力对全缠绕复合气瓶疲劳性能的影响

为了提高天然气汽车的续航里程,设计了30 MPa车用全缠绕压缩天然气气瓶。本文基于有限元软件平台下的复合材料分析模块,研究了不同的自紧压力对采用小角度螺旋缠绕、大角度螺旋缠绕加环向缠绕三种混合缠绕的全缠绕复合气瓶疲劳性能的影响,分析时采用SWT平均应力修正方程对交变应力幅进行了修正。结果表明:对气瓶进行自紧处理,基本不会改变内胆的交变应力幅,但是却可以降低其平均应力;在满足纤维应力比的前提下得出其最佳自紧压力为52 MPa,此时其疲劳循环次数约为15000次。     

高压全缠绕复合材料气瓶自紧优化分析

自紧处理能有效提高复合材料气瓶的疲劳性能和纤维利用率。以容积为140L、工作压力为35.0MPa的全缠绕复合材料气瓶为例,对其自紧压力优化方法进行研究,并采用有限元法对全缠绕复合材料气瓶进行自紧分析。结果表明:同时借助DOT-CFFC和ISO-11119标准可实现34.5MPa以上的全缠绕复合材料气瓶自紧压力的优化;经过最佳自紧压力处理后,35.0MPa全缠绕复合材料气瓶在工作载荷工况下内衬的承载能力和复合材料层的纤维利用率分别提高了42.1%和38.7%。     

基于断裂力学的钢丝缠绕胶管疲劳寿命分析

建立钢丝缠绕胶管的三维有限元模型,基于橡胶材料疲劳裂纹扩展理论,选取钢丝缠绕角度、钢丝层间距、钢丝层数、钢丝直径4个结构参数,采用正交试验法,以橡胶材料疲劳寿命为依据,分析在交变负荷下胶管的疲劳寿命和最大轴向位移。结果表明:钢丝层间距对胶管疲劳寿命的影响最大,其次是钢丝缠绕角度,再次是钢丝层数,最小是钢丝直径;钢丝层数对胶管最大轴向位移的影响最大,其次是钢丝缠绕角度,再次是钢丝层间距,最小是钢丝直径。     

自紧压力对车用玻璃纤维环向缠绕气瓶疲劳次数的影响研究

运用有限元分析软件,分析了不同的自紧压力对车用玻璃纤维环向缠绕气瓶疲劳次数的影响,采用新的许用应力幅度-循环次数曲线代替JB 4732,对不同自紧压力下的疲劳寿命进行了计算,认为如果不进行自紧处理,无法满足气瓶疲劳试验的要求。     

含缠绕层缺陷大容积钢内胆复合材料气瓶爆破压力分析

采用有限元软件构建大容积钢内胆复合材料气瓶模型,并在缠绕层表面建立三个体积型缺陷。详细阐述了数值模型的构建过程,重点分析了在设计爆破压力(50 MPa)下含不同缠绕层表面缺陷的气瓶内胆和缠绕层应力分布及大小,通过最大应力准则预测了各自情况下的爆破压力,与气瓶水压爆破试验数据进行了对比,并在此基础上研究了不影响爆破压力的缠绕层表面临界缺陷尺寸。模拟结果表明:缺陷对内胆应力影响较小,但缠绕层应力会因此急剧增大;爆破压力则是明显减小,且深度对其影响更大;针对本文讨论的气瓶,给出了临界面积为200 mm×200 mm,临界深度为1 mm这一结论。     

钢制内胆环缠绕气瓶壁厚设计方法对比分析

由于相关钢制内胆环缠绕气瓶设计制造标准中未明确指定内胆壁厚的设计公式,使得市面上同样规格的环缠绕气瓶内胆壁厚和自紧压力等参数存在一定差异,给监管工作带来不便。首先全面总结了环缠绕气瓶钢制内胆的设计方法,然后根据设计结果建立有限元分析模型,对比分析了不同标准体系设计的气瓶内胆壁厚的差异,以及由于壁厚差异而引起的纤维应力比和自紧压力的变化。结果表明,GB 5099相比于其他两种标准体系内胆设计壁厚偏大,相差约4.35%~6.0%;导致相应的环缠绕气瓶纤维应力比相差3.5%~30.8%,自紧压力的合理范围也存在差异。     

内胆壁厚变化对环缠绕复合气瓶疲劳性能的影响

受气瓶用无缝钢管壁厚偏差影响,环缠绕复合气瓶内胆实际壁厚可能存在0~+30%的变化。内胆实际壁厚变化会影响复合气瓶的自紧效果,从而影响复合气瓶的抗疲劳性能。采用有限元方法对壁厚不同的钢质内胆玻璃纤维环缠绕复合气瓶进行了应力分析。结果表明,随着内胆壁厚增大,相同自紧压力下内胆预压缩应力减小,工作过程中内胆平均应力增大,这会减弱气瓶的抗疲劳性能;但内胆疲劳交变应力幅减小,这对气瓶的抗疲劳性能又有增强作用。因此,分别基于Goodman和SWT平均应力修正方程,对计算所得的平均应力和疲劳交变应力幅进行了等效处理,两种方法所得等效交变应力幅均随内胆壁厚增大而减小。这表明二者的共同作用对环缠绕复合材料气瓶的抗疲劳性能有小幅度的提高,内胆实际壁厚的增大不会降低环缠绕复合气瓶的抗疲劳性能。     

钢丝缠绕液压胶管设计优化有限元分析

钢丝缠绕胶管的爆破压力、轴向变形和径向变形与钢丝缠绕角度密切相关,目前的研究和工程实践中主要是基于压力容器薄膜应力理论和经验公式对四层排布角度相同或者相近的软管进行分析和设计。但是由于薄膜理论的假设建立在胶管小变形和材料各向同性的假设条件下,而由于各层钢丝在受力后,会发生耦合作用,工程上已发现四层角度相同的设计,无论在受力,还是轴向位移都不是最佳方案,不能满足优化的目的。因此,本文使用有限元的分析方法,对四层缠绕胶管的排布角度进行独立优化,发现四层钢丝缠绕胶管每层角度的变化对其本层和其他三层的应力分布均有影响,并且有一定的规律性。利用这一规律,可以实现对钢丝缠绕胶管排布角度的优化,使爆破压力和变形都达到符合使用要求的结果。本文分析的结果被证明和工程试验结果有很好的相关性。     

薄壁金属内衬复合气瓶自紧压力的有限元分析及性能研究

本文研究自紧压力对薄壁金属内衬复合材料气瓶性能的影响规律。采用有限元分析方法对气瓶的自紧过程进行数值模拟,缠绕成型复合材料气瓶,进行水压疲劳及爆破试验验证,并在试验过程中引入声发射监测。试验及分析结果表明,自紧压力对薄壁金属内衬复合材料气瓶的疲劳及爆破性能影响较大,自紧压力过大会使得气瓶复材层出现树脂开裂、纤维断裂等损伤,导致复合气瓶爆破强度值下降。疲劳试验结果表明,自紧压力过大容易导致薄壁内衬提前进入屈服状态,降低疲劳寿命。针对薄壁金属内衬复合材料气瓶,其自紧压力的选取必须充分考虑金属内衬在自紧及工作过程中的应力值,使其在合理区间。     

钢丝缠绕液压胶管优化设计有限元分析

采用有限元分析方法,对4层钢丝缠绕胶管的钢丝缠绕角度进行独立优化。结果表明,每层角度变化对各层应力分布均有影响,某层钢丝缠绕角度增大,本层应力随之提高,而其他3层应力随之降低。利用这一规律,可以实现对钢丝缠绕胶管缠绕角度的优化,使爆破压力和变形都达到使用要求。已证明分析结果与工程试验有很好的相关性。