固定式燃料电池储氢气瓶的研制

以固定式燃料电池储氢气瓶的广泛应用为背景,对12L碳纤维全缠绕储氢气瓶的开发进行了研究。本文对CYD-128树脂浇铸体的拉伸性能进行了测试,同时开展了T700-12K/CYD-128复合材料NOL环的层间剪切试验。在此基础上,利用商业CADWIND软件,根据气瓶的技术指标对其进行了碳纤维的缠绕铺层设计,并利用ANSYS有限元应力分析,以对复合材料气瓶的缠绕工艺方案进行验证。根据设计的线型完成35 MPa高压储氢气瓶的缠绕,各项指标均满足使用要求。     

碳纤维／环氧树脂在橡胶内衬表面的全缠绕工艺设计

根据橡胶内衬碳纤维全缠绕压力气瓶的技术指标,依据网格理论对缠绕层和缠绕张力进行详细的理论设计计算,确定缠绕参数和工艺.选用的环氧树脂体系力学性能优异,其黏度满足缠绕成型工艺要求,同时复合材料NOL环的断面形貌表明该树脂体系与T800碳纤维界面结合良好.对缠绕成型的压力气瓶进行试验,检测表明.水压爆破试验和疲劳试验结果均满足复合材料气瓶的设计要求.     

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%。     

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。     

纤维缠绕车载CNG气瓶的结构设计及其有限元分析

根据薄膜理论分析了气瓶封头的椭球比对气瓶强度和稳定性的影响,依据网格理论,结合气瓶容积、使用空间以及实际生产工艺等约束条件,确定了气瓶的内衬几何尺寸、纤维缠绕层的纤维厚度和缠绕角度。最后利用ANSYS中的参数化设计语言(APDL),分别对各种工况下的强度、稳定性进行了仿真模拟和数值计算分析。结果表明,设计的70L纤维缠绕车载CNG气瓶的强度、稳定性满足铝内衬全缠绕碳纤维增强复合材料气瓶的基本要求(DOT-CFFC)。     

干纱缠绕复合材料压力容器的结构设计与强度分析

相对于湿法缠绕复合材料压力容器传统的壳单元建模与分析方法,提出了一种基于干纱束模式的纤维缠绕压力容器的细观建模和强度分析方法。通过Python和MATLAB完成干纱缠绕层的参数化建模,利用有限元软件ABAQUS研究各工况下压力容器的力学响应。使用机器人缠绕工作站完成压力容器的干纱缠绕实验,验证了设计参数和线型的可行性。结果表明:基于干纱束的参数化建模方法能准确地反映纤维缠绕的真实路径;同一角度纤维层连续的铺层方案更适用于干纱缠绕结构;工作压强(4 MPa)下,气瓶各区域的应力值均满足设计要求,筒身段环向层纤维的最大主应力远大于螺旋层;当内压达到16 MPa时,气瓶环向纤维断裂引发气瓶失效。     

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。     

铝内衬碳纤维复合材料压力容器非测地线缠绕与强度分析

本文对碳纤维缠绕复合材料压力容器进行了非测地线缠绕线型设计、有限元仿真和纤维缠绕与水压爆破实验。根据非测地轨迹确定了复合材料压力容器的最佳缠绕参数;采用有限元软件ABAQUS对其受压状态下的应力应变值进行分析,研究内压为35 MPa时压力容器的应力状态,并预测其爆破强度为92.2 MPa;缠绕实验在五轴数控缠绕机上进行,使用T800碳纤维制备了铝合金内衬复合材料压力容器,其纤维缠绕层共26层,缠绕完成后纤维排列整齐均匀,无滑纱现象。固化后其爆破压强为87.5 MPa,与仿真结果相对误差为5.1%,验证了仿真分析的可行性。     

筒体结构复合材料缠绕成型线型设计

复合材料具有多种多样的成型工艺，但湿法缠绕成型工艺具有效率高、可设计性强等优点，其应用越来越广泛。本文研究了3种缠绕线型并对其设计，同时以筒状结构为原型进行有限元仿真，对比了不同缠绕线型铺层的复合材料筒体的力学性能，结果表明混合缠绕线型铺层的筒体能更好地发挥材料的性能。本文的研究可以为复合材料筒体结构件及相关工作的研究者提供一些思路和参考价值，也为后续的科研生产打下基础。     

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。     

碳纤维缠绕气瓶用环氧树脂体系的固化工艺研究

目前国内外对环氧树脂固化工艺研究较多,但针对LY564环氧树脂体系在高压气瓶特殊应用环境中的研究却较少。本文对该树脂体系进行了不同升温速率的DSC分析,用流变仪对该树脂体系的等温粘度和动态粘度进行了测试,并且用DMA对该树脂体系的玻璃化转变温度进行测定,实验结果表明了LY564环氧树脂体系应用于碳纤维缠绕气瓶的适用性,并确定了该树脂体系的理论固化工艺。     

基于失效模式的深海玻纤增强柔性管截面设计

针对深海油气输送所使用的钢制管道存在耐腐蚀性差、质量大以及柔性小的不足,设计了具有耐腐蚀性强、质量轻、强度高、柔性好等优点的热塑性玻璃纤维(玻纤)增强聚乙烯柔性管,基于海深500 m油井油气输送用玻纤增强柔性管道中的抗压和抗拉增强层截面结构设计要求,通过有限元方法进行了多角度玻纤缠绕设计。结合DNVGL–RP–F119规范和美国船级社相关规范,首先根据柔性管受载工况进行了抗压层和抗拉层缠绕角度的设计,然后通过对抗压层、抗拉层在30 MPa内压、5 MPa外压和588 000 N拉力3种典型工况下的厚度试算以及90 MPa爆破压力校核,最终获得能够满足柔性管技术设计指标要求的增强层厚度为11.6 mm(90°玻纤缠绕抗压层8 mm,+30°玻纤缠绕抗拉层1.8 mm,–30°玻纤缠绕抗拉层1.8 mm)。与传统柔性管使用的单一缠绕角度设计方法相比,所设计的玻纤增强柔性管不需要经过多个工况强度校核进行大量缠绕角度和缠绕厚度试算以确定多种工况下的增强层最优缠绕角度和最少缠绕层数,因此计算量小、设计效率高。     

螺旋缠绕厚壁压力容器封头段的线型调整

给出螺旋缠绕厚壁压力容器封头段纤维层厚度的计算公式以及线型调整的基本方法 ,通过调整线型 ,以达到螺旋缠绕厚壁压力容器封头段既不滑线又满足封头段强度要求的目的     

Fatigue damage in composite cylinders

In this study, optimal angle‐ply orientation of symmetric composite cylinders under fatigue loading is investigated. The fiber‐reinforced plastic cylinders were manufactured from E‐glass/epoxy. The layers were manufactured symmetrically in [±75°]₂, [±60°]₂, [±55°]₂, and [±45°]₂ orientations. Burst pressure of filament‐wound composite cylinders under alternating pure internal pressure was measured experimentally. Internal fatigue pressure testing method was applied to the composite cylinders in close‐ended condition. For this study, a PLC controlled hydraulic pressure testing machine has been employed. The static burst pressure values of specimens were measured; subsequently, fatigue test pressure was applied in 70, 60, and 50% stress levels of burst pressure for each orientation. Damage propagations of the composite cylinders on these stress levels were observed as whitening, leakage, and final failure for [±60°]₂, [±55°]₂, and orientations. When the damage propagation of [±75°]₂ angle‐ply cylinder was observed, whitening and leakage did not occur and final failure occurred suddenly. Stress‐cycle curves obtained from the tests are given in graphics. Experimental results reveal that variation in stress levels and the winding angles have considerable effects on final failure cycles, which is also presented graphically. The optimum winding angle for the composite pressure cylinders or vessels under internal fatigue pressure load was obtained as [±45°]₂ orientation. POLYM. COMPOS., 2010. © 2009 Society of Plastics Engineers     

Influence of fiber slippage coefficient distributions on the geometry and performance of composite pressure vessels

In this article, the effects of several slippage coefficient distributions on the geometry, fiber trajectories, and the structural efficiency of non‐geodesic domes are evaluated for composite pressure vessels. Several functions, which ensure C¹ continuity of the winding trajectories, are respectively used to describe the slippage coefficient distributions along the fiber paths. With the aid of the fiber slippage law and the optimality condition of equal shell strains, the differential equations that govern the non‐geodesics–based dome shapes and related fiber trajectories are formulated. The meridian profiles and winding angle developments of the carbon–epoxy domes are obtained based on the given slippage coefficient distributions; their structural performances are then determined and compared with each other. The results conclude that the non‐geodesic dome designed using the maximum constant slippage coefficient exhibits better performance than those using other slippage coefficient distributions; this is mainly triggered by maximum utilization of the longitudinal strength of the laminate. It is also revealed that the structural efficiency of domed pressure vessels can be improved using non‐geodesics that provide higher degrees of freedom in the design of filament wound structures. POLYM. COMPOS., 315–321, 2016. © 2014 Society of Plastics Engineers     

纤维缠绕压力容器几何非线性分析

本文使用有限元软件ANSYS对纤维缠绕压力容器进行了几何非线性分析，并对容器进行了强度以及失效研究。本文压力容器几何非线性分析的结果表明铺层方向是影响纤维缠绕壳体强度的最大因素。     

碳纤维复合材料迫击炮身管结构设计与缠绕工艺研究

纤维增强复合材料具有比刚度高、比强度大的轻量化优势,以及可设计性强、耐腐蚀性优、抗疲劳性好等显著特点,可作为武器装备轻量化设计的绝佳选材。在对迫击炮身管进行受力分析的基础上,提出了采用金属内衬外加碳纤维复合材料增强层的迫击炮复合身管双层结构,介绍了用于迫击炮复合身管加工的缠绕设备和缠绕工艺,基于实验结果,综合分析了碳纤维材料的选择、铺层顺序、纤维缠绕张力等工艺对迫击炮复合身管承压性能的影响,可为火炮复合材料身管以及复合材料承载圆筒的结构设计与加工提供参考。     

球型封头压力容器的结构层次设计及缠绕成型工艺的研究

通过对实际球型封头压力容器产品的研制,阐述了球型封头压力容器结构层次的设计方法,介绍了在缠绕成型工艺中出现的问题及解决方法。     

纤维缠绕复合材料压力容器CAD/CAE/CAM一体化研究

本文用APDL参数设计语言编制的程序可同时进行压力容器缠绕过程的动态仿真模拟及应力分析,可将实际缠绕参数直接用于应力分析,分析后得到的仿真数据可直接用于数控缠绕机进行生产,实现了纤维缠绕复合材料压力容器CAD/CAE/CAM一体化.本文用微分几何理论推导出纤维缠绕复合材料压力容器的非测地线缠绕轨迹、包角方程及绕丝头运动方程.在应力分析过程中考虑了几何非线性和物理非线性.采用叠层的增量本构关系,以分段线性表示单层非线性应力-应变曲线,对损伤后引起的刚度降低进行了实验研究,实验特别研究了面内剪切破坏和层间剪切破坏对纵向弯曲刚度的影响.结果表明纤维缠绕复合材料压力容器损伤后,弯曲刚度的降低是影响轴向变形的重要因素.