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。     

塑料内胆复合材料气瓶有限元分析与爆破试验

本文针对塑料内胆70 MPa碳纤维全缠绕气瓶进行铺层设计、模拟仿真分析与爆破试验研究。首先,基于网格理论对塑料内胆气瓶进行铺层设计;接着,采用ABAQUS建立气瓶的内胆模型与复合材料层模型;然后,通过UMAT子程序定义了气瓶筒身段与封头位置复合材料属性,基于Hashin损伤理论定义了渐进损伤模型,用于预测气瓶爆破压力;最后,对气瓶进行了爆破试验,并在试验过程中使用应变片采集了气瓶加载过程中的应变情况。结果表明,渐进损伤模型预测的爆破压力与试验结果的误差在10%之内,且预测的爆破位置与试验结果一致。     

大容积纤维缠绕气瓶的X射线数字成像检测方法研究

为了验证数字射线对大容积钢内胆纤维缠绕气瓶主要缺陷的检出能力,并给出检出能力的定量数据,本文针对气瓶在使用和制造过程中可能出现的纤维层断裂、划伤、气孔及内胆腐蚀、裂纹等缺陷,在纤维层和内胆上制作了系列刻槽和平底孔等人工缺陷,以模拟上述自然缺陷,通过优化后的透照参数,拍摄人工试样影像。检测结果表明,数字射线检测方法能够检出纤维层上深度为0.25 mm的纵向刻槽和深度为0.5 mm的环向刻槽,同时还能检出内胆上深度为0.25 mm的纵、环向刻槽等人工缺陷。由此证明了数字射线检测能用于大容积钢内胆纤维缠绕气瓶危害较大缺陷的初期检测,为其安全使用提供有力支持。     

铝合金内胆碳纤维缠绕气瓶最佳自紧压力分析

本文通过数值仿真计算出不同自紧压力下对气瓶疲劳寿命的影响规律,得到了铝合金内胆碳纤维缠绕气瓶最佳自紧压力。首先,构建了工作压力为35MPa的精细化有限元气瓶模型。其次,采用渐进损伤方法计算出复合材料铺层在自紧压力和疲劳循环压力下的基体损伤,从而得出了基体损伤后的气瓶内胆应力分布,建立了基于Morrow平均应力修正的Manson-Coffin等效应变法的气瓶疲劳寿命预测方法。根据纤维应力比计算出了自紧压力范围,并开展了不同自紧压力对气瓶疲劳寿命的影响规律研究。结果表明,在53MPa自紧压力之前,气瓶疲劳寿命随着自紧压力的增高稳定提升;在自紧压力达到53MPa之后,气瓶疲劳寿命变化波动较小,且在57MPa自紧压力下达到最大疲劳寿命之后出现下降趋势。因此,最终得出本文铝合金内胆碳纤维缠绕气瓶的最佳自紧压力为57MPa。     

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。     

CNG-2环向缠绕气瓶纤维缠绕残余预应力的优化设计

复合材料气瓶压力容器的纤维缠绕预应力对容器的性能有很大的影响,合理设计纤维预应力可提高复合材料容器的综合性能。借助ANSYS有限元软件,建立了带有纤维缠绕残余预应力的环向缠绕气瓶的有限元参数化模型。在模型中,将纤维缠绕层视为复合材料层合板。按照GB 24160—2009《车用压缩天然气钢质内胆环向缠绕气瓶》的规定,并结合各工况下应力水平的要求建立数学模型,对环向缠绕气瓶的纤维缠绕残余预应力进行优化,得到纤维缠绕残余预应力的最优值,使内胆在工作压力下有较低的应力水平,提高了气瓶的可靠性。     

一种新型车用轻量化高压复合气瓶的设计与制备

针对目前市场上CNG-2型车用钢质内胆玻璃纤维环向缠绕气瓶的轻量化趋势要求,设计采用薄壁钢内胆、高强玻璃纤维及环氧树脂为原料,参照国际标准设计制作出新型CNG-3型车用钢质内胆玻璃纤维全缠绕气瓶,并对气瓶进行了自紧工艺试验、水压测试、压力循环和水压爆破试验。结果表明,新研制的钢质内胆玻璃纤维全缠绕气瓶,与市场上传统CNG-2型钢质内胆玻璃纤维环向缠绕气瓶在相同外形尺寸、同容积情况下重量减少13%左右,2~26 MPa压力循环试验15 000次未泄漏,水压爆破压力为72.3 MPa,性能满足标准要求,符合设计预期,所研制产品符合CNG气瓶低成本、轻量化的要求。     

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。     

基于渐进损伤数值模拟的复合材料气瓶爆破压强优化

本文针对金属内衬复合材料气瓶进行渐进损伤的数值模拟并根据不同铺层方案气瓶的爆破结果进行优化选择。在ABAQUS软件中建立了气瓶模型,选用Hashin失效准则和Tan退化模型提出了渐进损伤理论,通过编写USDFLD子程序实现对复合材料模型渐进损伤的预测过程,并使用NOL环验证了损伤理论的准确性;对不同铺层方式的气瓶分别进行爆破结果的预测和渐进损伤分析。NOL环拉伸破坏结果表明,模拟得到的破坏应力与实际值的误差为1.9%,证明了渐进损伤理论用于环形缠绕模型是可行的。气瓶的爆破预测结果表明,预测的压力和失效位置与真实试验结果很接近。不同铺层的气瓶的爆破结果比较表明,铺层角度和数量对气瓶爆破压力及位置有较大影响。气瓶的渐进损伤分析结果表明,复合材料气瓶的损伤是一个从基体开裂逐渐过渡到分层缺陷,最终导致纤维断裂和气瓶爆破的过程。     

有限元分析在车载缠绕式复合材料CNG气瓶中的应用

本文主要采用有限元法,分别对缠绕式复合材料CNG气瓶的内胆和缠绕层进行应力分析,按最大应力准则和最大应变准则预测爆破压力,依据车载CNG复合材料气瓶的设计、制造、使用等各个环节的分析,结合有限元应力分析结果,得到的应力值均在强度极限范围内,对车载缠绕式复合材料CNG气瓶实际应用有较大的指导意义。     

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。     

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。     

车用氢气铝合金内胆碳纤维全缠绕气瓶及其生产工艺

正一种应用于新能源汽车领域中的车用氢气铝合金内胆碳纤维全缠绕气瓶,整个装置由内胆、碳纤维缠绕层组成,内胆瓶嘴处为内螺纹和密封结构,碳纤维缠绕层的铺层次序为8层环向缠绕+6层螺旋缠绕+8层环向缠绕+8层螺旋缠绕+2层环向缠绕;车用氢气铝合金内胆碳纤维全缠绕气瓶的生产工艺是,内胆经冲压拉伸成型,并经数     

复合材料储氢气瓶的纤维厚度预测与强度分析

复合材料储氢气瓶因具有较高的比强度、轻质以及耐腐蚀性好等特点,被大量装备于火箭、卫星、新能源汽车和医疗设备等。本文希望通过对复合材料储氢气瓶的理论研究与数值模拟,提供一套快速准确的储氢气瓶设计方法。首先基于网格理论设计了复合材料缠绕层,接着通过三维激光扫描技术对气瓶轮廓进行测量,验证了三次样条封头厚度预测方法的准确性,最后利用Abaqus软件建立了复合材料气瓶高精度有限元模型,研究了自紧对于提高气瓶性能的重要作用,建立渐进损伤模型得到气瓶的爆破压力。结果表明:三次样条法准确预测了气瓶封头上的纤维厚度分布,经过自紧处理后在工作压力下内胆的Mises应力显著降低,得到了最佳自紧压力取值范围为36.3 MPa～42.5 MPa。渐进损伤结果显示气瓶发生了纤维和基体破坏,最终爆破压强达到了69.5 MPa,满足设计要求。研究成果对复合材料储氢气瓶的设计制造具有重要的意义。     

钢丝缠绕复合气瓶的安全设计及有限元分析

针对钢丝缠绕气瓶的应力与应力分布的优化,利用有限元分析软件ANSYS对钢丝缠绕气瓶进行建模。考虑自紧和不自紧两种情况,对气瓶受力进行对比分析,得出自紧可以使得钢丝缠绕复合气瓶的受力得到明显优化。对不同直径的钢丝所缠绕的气瓶进行计算,分别得出了能保证气瓶安全性的缠绕层数,同时对不同直径下的安全缠绕层数进行质量对比,得出用0.35 mm直径的钢丝缠绕9层以后,在20 MPa的工作压力下不仅能保证直径为342.8 mm的气瓶的安全,而且缠绕层的质量相对较轻。     

复合材料气瓶有限元应力应变分析

本文利用ANSYS大型有限元程序建立了复合材料气瓶（金属内衬）的有限元模型,建模中将纤维缠绕层作为复合材料层合板处理,考虑了封头处缠绕层厚度及缠绕角沿子午线不断变化的情况。针对建立的模型进行了气瓶在几个工况点下的变形分析,通过在30MPa压力、45MPa压力下的位移分析和试验测量对比,分析和试验结果分别为6．25MPa和5．86MPa、8．48MPa和7．69MPa,误差分别为9．3％、9．O％,均在10％以内。利用最大应变准则预测了气瓶的爆破压力约为66MPa。两次爆破试验中,测得的爆破压力分别为65MPa和68MPa。结果表明,建模与分析方法县诈确的．     

CNG-2型气瓶的数值模拟方法对比

针对数值模拟时CNG-2型气瓶常用的两种模型——轴对称模型和三维壳单元模型存在的争议,对两种模型进行了详细的对比,并讨论了纤维缠绕角度对其结构的影响,得到以下结论:由于CNG-2型气瓶纤维缠绕角接近90°,轴对称模型和三维壳单元模型的应力分布基本相同;壳单元理论上的缺陷导致三维壳单元模型纤维层的径向应力为0,是两种模型结果存在差别的主要原因;对纤维缠绕角接近90°的CNG-2型气瓶进行应力分析时,轴对称模型可以代替三维壳单元模型,且计算工作量较小;当纤维缠绕角不为90°时,两种模型间的误差随缠绕角变化,且当缠绕角在90°~70°之间时,误差在5%以内,在工程允许范围内仍可使用轴对称模型进行应力分析。相关结论可为CNG-2型气瓶数值分析工作提供有益的指导。     

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。     

复合材料球形气瓶非测地线缠绕线型设计和强度分析

碳纤维复合材料球形气瓶因其较高的比强度、比刚度和抗疲劳性,被广泛应用于航空航天及民用工业领域。基于微分几何理论,推导出满足球形气瓶缠绕基本原理的落纱点轨迹方程,给出缠绕线型轨迹和缠绕角应该满足的稳定缠绕条件,并对缠绕轨迹进行仿真。考虑球壳的变曲率特点,针对球形气瓶缠绕层进行变厚度、变角度的精细化有限元建模,对工作压力下的气瓶内衬和缠绕层各向应力分布进行数值模拟和分析,并预测了气瓶的爆破压强。结果表明,优化设计得到的缠绕线型参数既能满足缠绕工艺的基本要求,又有效提高了球形气瓶的结构力学性能。研究成果对复合材料球形压力容器的设计制造具有重要的意义。     

两种不同铝内衬碳纤维缠绕复合材料气瓶受力状况的对比分析

基于复合材料层合板弹塑性分析理论,参考DOT CFFC《铝内胆碳纤维全缠绕复合气瓶的基本要求》标准,利用网格理论设计了容积70L的铝内衬碳纤维缠绕复合气瓶。在相同的预紧力和工作压力下,研究对比分析了两种不同型号铝合金6061和7075作为内衬的气瓶的受力状况。结果表明,铝合金6061作为内衬时,其内衬应力水平分布比较均匀,可以更好地发挥外缠碳纤维的高强度特性,且价格经济实惠,较7075更适合作为复合材料气瓶的内衬材料。