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。     

金属内衬碳纤维全缠绕气瓶的有限元分析

本文通过有限元的分析方法,对具有铝合金内衬的碳纤维全缠绕复合材料气瓶的结构进行了剖析,建立了较为合理的复合材料气瓶有限元模型,对气瓶模型的基本建模分析过程进行了阐述和研究。采用ANSYS参数化编程语言(APDL)对复合材料气瓶进行参数化建模,参考美国制定的DOT-CFFC标准《铝内胆碳纤维全缠绕复合气瓶的基本要求》,对公称工作压力、试验压力和最小爆破压力下的碳纤维缠绕铺层和铝合金内衬的各向应力分布进行了数值模拟和计算,并预测了复合材料气瓶的实际爆破压强。     

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。     

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。     

钢质内胆玻璃纤维环缠绕气瓶内胆强度计算分析

介绍了钢质内胆玻璃纤维环缠绕气瓶的应用、特点及主要材料的相关状况,描述了产品标准的采用情况和目前设计计算中通常采用的方法,阐述了内胆强度计算在环缠绕气瓶强度计算中的重要性;通过对内胆及纤维的受力分析,确定了在环缠绕气瓶爆破压力下内胆和纤维的应力状态以及环缠绕气瓶的爆破形式,并依据内胆材料的应力-应变曲线,提出了内胆强度的具体计算方法。     

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。     

大容积钢质内胆环向缠绕气瓶的设计与应力分析

根据ISO 11515:2013标准,对大容积钢质内胆环向缠绕气瓶进行了设计,并论述了其与常规CNG环向缠绕气瓶的区别。采用有限元分析软件对设计进行了验证,根据有限元计算结果对其疲劳性能进行了预测。分析认为,该设计完全满足ISO 11515:2013对大容积钢质内胆环向缠绕气瓶的要求。     

钢质内胆环向缠绕气瓶复合层表面裂纹产生机理探讨

针对钢内胆环向缠绕气瓶复合材料层产生的环向裂纹和轴向裂纹的现象,对气瓶复合材料层进行受力分析,探讨裂纹产生的机理,并提出改进建议。     

UHMWPE纤维缠绕铝内衬复合材料气瓶爆破压力预测

本文利用有限元强大的后处理功能,在复合材料气瓶的有限元模型上选取一条路径,使其能够代表复合材料气瓶模型上的所有点,然后在同一载荷下观察这一路径上的点的应变曲线,观察曲线规律,从中选取三个点做出载荷-应变曲线,找出最大应变点。然后做出环向纤维缠绕复合材料层的这个点在不同载荷下的载荷-应变曲线,根据最大应变准则,预测UHMWPE纤维缠绕复合材料气瓶的爆破压力。     

基于热芯缠绕工艺的缠绕张力研究

本文提出了一种适用于热芯缠绕工艺的缠绕张力制度设计方法.与传统缠绕工艺不同的是,热芯缠绕工艺使复合材料在缠绕同时加热固化.该方法在考虑外部纤维张力对内部环向应力影响的基础上,考虑了缠绕过程中温度引起的热应力、固化收缩应力以及各参数变化,通过对各缠绕层环向应力的分析,推导出考虑温度影响的缠绕张力制度,使各缠绕层纤维受力均匀,从而提高复合材料壳体的强度和抗疲劳性能.     

复合材料压力容器自紧后残余变形研究及有限元分析

研究复合材料压力容器自紧加卸载过程中的轴向残余变形趋势,揭示复合材料压力容器轴向残余变形机理与成因,对合理控制复合材料压力容器自紧过程中的尺寸稳定性具有重要研究和应用意义。主要针对碳纤维缠绕钛内衬压力容器自紧后出现的残余变形现象展开实验研究和有限元分析。结果表明,自紧加卸载后,钛内衬发生了塑性残余变形,为保证封头曲线的连续协调性,封头内衬向内凹陷,容器在轴向产生缩短变形趋势。此外,钛内衬材料屈服强度变化是容器轴向残余变形的显著影响因素,随着钛内衬材料屈服强度的增加,复合材料压力容器轴向残余变形量(缩短)减小,有限元分析结果和实验预测具有很好的一致性。     

薄壁钢内衬CF圆筒承压性能仿真及水压爆破试验

针对含薄壁钢内衬的碳纤维缠绕圆筒典型结构,建立三维有限元模型,采用温度参数法逐层计算内衬剩余应力,并预测其承压性能;基于水压爆破试验,研究了多缠绕角下缠绕张力、不同碳纤维等级对钢内衬及复合材料圆筒承压能力的影响,并结合钢内衬的声发射振铃计数特征判别载荷屈服点。试验结果表明,含薄壁钢内衬的碳纤维缠绕圆筒的最佳缠绕张力为75 N左右,T700,T300两种强度碳纤维复合圆管的钢内衬最大屈服载荷基本相同。     

低速冲击下含金属内衬的纤维缠绕容器损伤特征

本文基于低速冲击动力学理论和复合材料层合结构损伤破坏准则,采用以不协调模式的八节点块三维有限单元法,研究了在空载和满载下含金属内衬的纤维缠绕容器在冲击下的力学行为,并预测了其冲击损伤分布。在分析中应用修正的Hertzian接触法则来计算在冲击载荷下冲击体和缠绕结构之间的接触力;在时域中采用Newm ark方法求解。通过典型数例研究结果表明,在相同能量的冲击载荷作用下,满载(内压)下的纤维缠绕容器较空载容器更易发生基体开裂和分层破坏。     

碳纤维等级对迫击炮复合身管多目标优化设计的影响

将高性能碳纤维用作迫击炮身管外部增强层,可大大降低身管质量。在湿法缠绕工艺中,针对缠绕张力对金属内衬的强化效应,基于正交各向异性材料的厚壁圆筒理论和基于小变形假设的弹性叠加理论,提出了适用于多角度分层缠绕的内衬预应力离散叠加算法。针对复合身管中受内压的薄壁内衬碳纤维缠绕圆筒典型结构,以复合身管质量和抗弯刚度为优化目标,提出了基于多岛遗传算法的复合身管多目标优化设计方法。通过不同材料搭配方案的Pareto解集对比表明,M46方案相比T300和T700方案质量更轻、刚度更高,其中Ni_2/M46方案优化效果最好,说明高模量碳纤维更具轻量化优势,并通过有限元仿真和水压试验验证了优化结果的有效性。     

整体多层夹紧式高压容器超压处理研究

以ANSYS软件为平台,理想塑性材料力学模型和Mises屈服准则为基础,建立了存在均匀层间间隙的多层容器弹塑性有限元模型,结合实验数据测定现有制造工艺下多层容器的层间间隙参考范围为0.055～0.13 mm。以同尺寸单层容器Mises初始屈服压力作为超压处理压力,模拟改善应力分布效果。     

纤维缠绕压力容器最佳预应力与缠绕张力关系研究

为提高纤维缠绕压力容器的结构效率,对压力容器纤维缠绕预应力及其内衬形式之间的关系进行了研究,应用压力容器设计的弹性及半弹性分析方法,推导出纤维缠绕张力及其界面最佳预应力之间关系的表达式。     

碳纤维缠绕铝内衬储氢容器力学分析及优化控制

基于经典复合板理论与网格理论简化了纤维缠绕金属内衬压力容器模型,提出正交各向异性假设并认为材料处于线弹性,应力由纤维承受,忽略压力容器复合增强层的拉应力与切应力耦合作用,分别得到内外压作用时的应力计算公式。提出纤维预紧力控制方法,优化纤维缠绕金属内衬压力容器最终应力分布,通过实例模型验证了理论推导及方法的合理性。     

对影响双支座卧式容器筒体上最大环向应力因素的研究

通过有限元软件ANSYS建立双支座卧式容器的有限元模型,考察了影响鞍座附近筒体最大环向应力的各种因素,并且得出了它们各自的影响系数,最后利用这些影响系数得出了计算最大环向应力的公式。