铝内胆碳纤维全缠绕气瓶铺层设计

铝内胆碳纤维全缠绕气瓶的铺层设计主要基于网格理论,但该方法仅能得出满足爆破强度的参数,不能满足对铝内胆疲劳性能的要求,因而难以适应气瓶产品的设计需要.将网格理论与铝合金S-N曲线结合,提出一种基于铝合金疲劳寿命设计纤维缠绕层厚度的新方法.依据该方法给出的缠绕层厚度构建有限元模型,通过数值模拟确定合理的自紧力,计算不同载荷下的气瓶应力分布,根据爆破试验数据,利用有限元模型预测气瓶的爆破强度、失效位置及失效形式.结果 表明:该设计方法可便捷地得出满足性能要求的气瓶缠绕层厚度;自紧力合理值可根据设计预期通过有限元分析得出;疲劳载荷下的缠绕层应力设计值与模拟值,偏差在允许范围内;运用该方法设计的气瓶能够同时满足疲劳和爆破性能指标,且失效位置、纤维应力比也符合标准规定.     

基于应力分析的车载低温绝热LNG气瓶的结构优化和疲劳寿命研究北大核心CSCD

为了使车载低温绝热LNG气瓶在服役周期内安全运行,对车载低温绝热LNG气瓶整体结构开展了各典型工况下的强度分析、结构优化和疲劳寿命预测,完成了车载低温绝热LNG气瓶整体结构在5 g冲击下的全流程安全性评价。仿真分析了车载低温绝热LNG气瓶整体结构在6种典型工况下的应力并对结构不连续处进行应力评定,基于整体结构的应力分析对后支撑结构进行了优化,并对最关键主承压结构内胆开展了疲劳寿命预测和评定。通过全流程的应力和疲劳分析、评定研究,结果表明:车载低温绝热LNG气瓶整体结构满足强度要求;通过后支撑的优化,应力最高降低了53%,在最恶劣工况下,应力变化幅值由优化前的78.2 MPa下降为优化后的1.3 MPa,后支撑的疲劳寿命大幅提高;整体结构的疲劳寿命远高于各工况的许用寿命。     

内外压作用下纤维缠绕厚壁柱形容器的强度

研究各向同性材料内胆外对称均衡缠绕纤维的厚壁圆柱形容器在内外压力作用下的应力和强度特性。采用正交各向异性本构关系和轴对称厚壁筒理论, 获得纤维层和内胆的应力, 以及纤维方向三向应力的解析公式。利用Hoffman和Tsai-Wu失效准则研究薄壁筒理论和三维应力对应的强度随壁厚和缠绕角的分布规律。计算比较了有、 无内胆的纤维缠绕容器的强度随缠绕角的变化情况。利用ANSYS软件的层合单元SOLID191建立的模型给出的纤维向应力和强度比与本文理论结果吻合很好。研究发现: 基于层合板理论的二维纤维向应力公式给出了不准确的纤维向应力, 不准确的横向应力造成容器纤维层的强度值偏低; 不同的纤维类型和缠绕角, 厚度-半径比对强度比的影响不同; 基于二维应力分析的薄壁筒理论给出的纤维层强度比小于三维分析的结果; 缠绕角对无内胆的缠绕容器强度比的影响比有内胆的更敏感。      

专利技术

固定式燃料电池用铝合金内胆碳纤维全缠绕储氢气瓶 申请（专利）号：201210234404．8 公开（公告）日：2013-01-09 申请（专利权）人：上海复合材料科技有限公司 摘要：本发明涉及一种固定式燃料电池用铝内胆碳纤维全缠绕储氢气瓶,主要由铝内胆、碳纤维缠绕层和玻璃纤维保护层构成,铝内胆瓶嘴处为内螺纹密封结构,在所述铝内胆的简体表面上交替缠绕环向缠绕层和螺旋缠绕层,与瓶口光滑无缝连接的内胆椭圆曲面尾部、肩部与筒体段的螺旋缠绕方向一致且连续,所述缠绕层是由张力控制且浸渍树脂的碳纤维缠绕层,再在外表面上缠绕所述的玻璃纤维保护层。本发明所提供的储氢气瓶,具有容重比大、耐腐蚀、未爆先漏、工作压力疲劳循环次数多的优点。     

玄武岩纤维全缠绕压力容器的研制与验证

选用玄武岩纤维为增强材料,制备了NOL环试样,进行了湿热处理和剪切试验验证。根据网格理论,针对2.4 L玄武岩纤维缠绕气瓶进行了复合层设计,确定了纤维缠绕厚度和缠绕角度,对所制样品进行了疲劳及爆破试验验证。结果表明:玄武岩纤维复合材料较玻璃纤维复合材料具有更优的界面粘结和湿热老化特性,所制备的气瓶经过0-21~(+0.2)-0 MPa压力循环的10 000次疲劳实验后未发生泄漏;爆破压力为77.1 MPa,验证了设计的合理性。     

6.8L玄武岩纤维全缠绕复合材料气瓶的研制及试验研究

选用玄武岩纤维为增强材料,针对市场上常规的6.8 L呼吸气瓶,进行了气瓶的纤维缠绕层计算和样品制备,并对气瓶进行了爆破及疲劳实验。结果表明:本研究所研制6.8 L玄武岩纤维气瓶爆破压力为98 MPa,0~30 MPa压力循环试验10 000次气瓶未泄漏,满足设计要求,证明了玄武岩纤维应用于压力容器领域的可行性。     

基于微观力学的复合材料气瓶爆破强度研究

为了研究复合材料储氢气瓶在内压和温度载荷作用下的复杂失效行为,提出一种基于微观力学的气瓶渐进失效分析方法.基于微观力学失效准则,分别判断纤维和基体的损伤与失效,并采用材料刚度退化的方法模拟复合材料失效后的力学行为.此外,建立了复合材料微观力学分析模型,并提取了相应宏-微观分析参数.整个渐进失效分析过程由ABAQUS用户子程序(UMAT)实现,分析得到了复合材料气瓶在热力耦合载荷下的复杂失效模式与最终爆破强度.有限元模拟与试验结果吻合良好,说明该方法可以为复合材料储氢气瓶的设计和优化提供理论指导.     

高压储氢气瓶的长径比和进气口直径对其快充温升及温度分布的影响

在储氢气瓶快充引起温升的理论基础上,考虑到真实气体充气的复杂性,基于真实气体的k-ε湍流模型,建立高压储氢气瓶快速充气温度变化的高精度数值计算模型。用计算流体力学软件Fluent13.0模拟35MPa,120L纤维缠绕铝内胆复合气瓶快速充气情况。为了研究气瓶的长径比和进气口直径对温升和温度分布的影响,分别对长径比为3.6、2.0,进气口直径为16mm、40mm、64mm的气瓶的充气情况进行模拟。数值模拟的结果表明在相同的充气条件下,长径比越小气瓶内最高充气温度越低,瓶内的温度分布也相对越均匀;进气口直径越小瓶内最高充气温度的升幅越小。     

用应变能密度法分析纤维金属层板的微动疲劳特性

为研究纤维金属层板的微动疲劳特性,首先,基于三维坐标系下的临界平面法求解了纤维金属层板铝层临界平面上的应力和应变分量,并进一步求解了Smith-Watson-Topper （SWT）和I型Nita-Ogatta-Kuwabara （NOK）应变能密度参数;然后,建立了应变能密度参数-微动疲劳寿命关系式,并通过实验数据得到了寿命预测公式中的待定参数;最后,采用I型NOK应变能密度准则分析了铝层厚度、纤维层厚度、各层相对厚度和桥足圆角半径等对微动疲劳损伤位置和寿命的影响,并为纤维金属层板抗微动疲劳设计提出了一些合理化建议。结果表明:增加铝层厚度可以延长微动疲劳寿命,但增加纤维层厚度和桥足圆角半径不会改善微动疲劳特性。提出的方法可为分析纤维金属层板铆接和螺栓连接中的微动疲劳问题提供理论依据。      

基于迟滞耗散能的纤维增强陶瓷基复合材料疲劳寿命预测方法

纤维增强陶瓷基复合材料(CMCs)在疲劳载荷作用下,纤维相对基体在界面脱粘区往复滑移导致其出现疲劳迟滞现象,迟滞回线包围的面积,即迟滞耗散能,可用于监测纤维增强CMCs疲劳损伤演化过程。提出了一种基于迟滞耗散能的纤维增强CMCs疲劳寿命预测方法及考虑纤维失效的迟滞回线模型,建立了迟滞耗散能、基于迟滞耗散能的损伤参数、应力-应变迟滞回线与疲劳损伤机制(多基体开裂、纤维/基体界面脱粘、界面磨损与纤维失效)之间的关系。分析了疲劳峰值应力、疲劳应力比与纤维体积分数对纤维增强CMCs疲劳寿命S-N曲线、迟滞耗散能和基于迟滞耗散能的损伤参数随循环次数变化的影响。疲劳寿命随疲劳峰值应力增加而减小,随纤维体积含量增加而增加;迟滞耗散能随疲劳峰值应力增加而增加,随应力比和纤维体积分数增加而减小;基于迟滞耗散能的损伤参数随纤维体积分数增加而减小。      

Design of Semi-composite Pressure Vessel using Fuzzy and FEM

The present study attempts to present a new method to design a semi-composite pressure vessel (known as hoop-wrapped composite cylinder) using fuzzy decision making and finite element method. A metal-composite vessel was designed based on ISO criteria and then the weight of the vessel was optimized for various fibers of carbon, glass and Kevlar in the cylindrical vessel. Failure criteria of von-Mises and Hoffman were respectively employed for the steel liner and the composite reinforcement to characterize the yielding/ buckling of the cylindrical pressure vessel. The fuzzy decision maker was used to estimate the thickness of the steel liner and the number of composite layers. The ratio of stresses on the composite fibers and the working pressure as well as the ratio of stresses on the composite fibers and the burst (failure) pressure were assessed. ANSYS nonlinear finite element solver was used to analyze the residual stress in the steel liner induced due to an auto-frettage process. Result of analysis verified that carbon fibers are the most suitable reinforcement to increase strength of cylinder while the weight stayed appreciably low.     

可收卷复合材料层板大变形弯曲性能研究

该文研究了玻璃纤维编织复合材料制成的可收卷层板在大变形条件下的弯曲静力性能和疲劳性能。通过弯曲静力试验得到了试验件在大变形条件下的应变和位移的关系;通过有限元模拟静力试验并与试验结果对照,确定了疲劳试验的载荷;研究了在大变形条件下不同铺层层板的弯曲疲劳寿命及失效模式和相同铺层层板的疲劳寿命曲线。结果表明:复合材料层板在大变形弯曲时具有明显的非线性行为,且(±45°)铺层层板弯曲疲劳性能明显优于(0°/90°)铺层层板;在最小应变和最大应变比不变的情况下,相同铺层层板的弯曲最大应变和对数疲劳寿命之间存在线性关系。     

5000m^3立式拱顶储罐应力分析与弱顶性能评价

根据国内外相关设计标准与规范,石油天然气等易燃易爆气体的储罐必须设计成弱顶结构,以最大限度地降低因内部超压而发生事故的危害程度。为了得到合适的弱顶结构设计方法,以常见的5 000 m^3立式拱顶储罐为对象展开分析。首先,根据GB 50341-2014《立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范》,对储罐结构参数进行设计并对其弱顶性能进行初步评价;然后,利用有限元分析方法对储罐结构进行分析,获得储罐在空罐、半罐、满罐工况下的提离高度、提离半径、最大等效应力和薄膜应力等关键参数,并在此基础上对储罐强度、稳定性、破坏形式和弱顶性能进行综合评价;最后,分析了顶壁连接焊角高度、罐顶曲率半径、边缘板厚度和罐体高径比等关键参数对储罐弱顶性能的影响。结果表明:基于GB 50341-2014设计的5 000 m^3立式拱顶储罐并不具备弱顶性能,顶壁连接焊角高度减小到3.75 mm,或罐顶曲率半径增大到3.0D(D为储罐直径),或边缘板厚度增大到15 mm,或罐体高径比增大到2.0都能使该储罐满足弱顶结构的设计要求。研究结果可为储罐弱顶结构的改进提供参考。     

碳纤维复合材料假脚冲击后疲劳性能影响因素分析

基于三维逐渐损伤理论和有限元法,对碳纤维复合材料假脚在冲击载荷及冲击后疲劳载荷作用下的破坏过程进行分析,研究了不同冲击能量、不同冲头材料、不同应力水平等因素对碳纤维假脚的冲击损伤及疲劳性能的影响规律。结果表明,在冲击载荷作用下,碳纤维复合材料假脚的损伤模式主要为基体开裂、纤维压缩和分层。随着冲击能量的增加,上述3种破坏模式的损伤单元数逐渐增大;尽管随着冲击能量的增加,碳纤维复合材料假脚的疲劳循环次数逐渐降低,但二者之间并不满足线性关系,即存在冲击能门槛值。对于碳纤维复合材料假脚而言,其冲击能门槛值为7J;冲头材料越硬,碳纤维复合材料结构件的冲击损伤面积越大,疲劳性能下降越剧烈;碳纤维复合材料假脚的疲劳循环次数随着加载应力的增加而显著降低。     

移动式低温LNG贮罐强度的有限元分析

为实现移动式低温LNG贮罐的优化设计与安全运行,以高真空多层绝热结构LNG贮罐为研究对象,在分析其结构与承载特点的基础上,针对实际使用中经历的启动、制动、颠簸等多种工况,采用有限元方法分析了该类贮罐总体及局部的应力强度分布。结果表明:多种工况下,内容器内壁靠近滑动端支承的部位应力强度均最高,特别是遭遇羁绊颠簸时,其最大应力强度达到323.5MPa,比静态操作提高了62.5%,因此在LNG贮罐内、外容器上设置合适厚度与间距的加强圈对降低局部应力强度很有必要。同时水平加速度在-0.5g-1.0g区间交变时的疲劳分析与评定表明,LNG贮罐当前结构满足疲劳强度的要求,但最大交变应力强度点均出现在靠近固定支承的加强圈的边缘,说明结构不连续等对贮罐膜应力状态的破坏是导致疲劳失效的主因,故移动式LNG贮罐应尽量采用圆滑过渡结构。     

多角度交替缠绕复合圆筒的剩余应力算法及水压试验

针对含薄壁钢内衬碳纤维增强聚合物基复合材料（CFRP）多角度交替缠绕复合圆筒的剩余应力计算问题,基于正交各向异性材料的厚壁圆筒理论和弹性叠加理论,提出了考虑卸去芯模影响的多角度交替缠绕下CFRP各层和钢内衬剩余应力的逐层叠加算法,研究了恒缠绕张力下,芯模厚度和螺旋层缠绕角对CFRP各层和钢内衬剩余应力的影响。计算表明：芯模厚度越大则CFRP层剩余应力越低,但芯模厚度过大将减弱缠绕张力对钢内衬的强化效应;螺旋层缠绕角约65°时,环向层剩余应力出现极小值,螺旋层剩余应力和内衬剩余应力均出现极大值。针对缠绕张力对钢内衬的强化效应,通过水压试验加载过程中钢内衬声发射特征与复合圆筒外壁应变测试,测得的钢内衬屈服载荷与理论预测值一致,基本证实了算法的有效性。为提高CFRP层缠绕质量,基于等剩余应力假设,提出了多角度交替缠绕张力制度优化设计思路,适用于内压管的张力制度优化。     

Effects of hydrogen pressure and test frequency on fatigue crack growth properties of Ni–Cr–Mo steel candidate for a storage cylinder of a 70 MPa hydrogen filling station

Experiments to investigate the effect of hydrogen pressure and test frequency on the fatigue crack growth properties of a Ni–Cr–Mo steel for the storage cylinder of a 70 MPa hydrogen storage station were conducted. Compact tension specimens were cut out from the storage cylinder. The crack growth properties obtained in hydrogen gas were compared with those obtained in air. Higher hydrogen pressures and lower loading frequencies lead to faster crack growth. However, there is an upper limit to the acceleration of the fatigue crack growth rate in hydrogen gas, which can be used for the design of the hydrogen cylinder. The effect of long and large inclusions present in the steel was also verified. The observations carried out on specimen fracture surfaces showed that the low population of inclusions did not influence the fatigue crack growth rate.     

Fatigue crack propagation behavior in AISI 304 steel welded joints for cold‐stretched liquefied natural gas (LNG) storage tank at cryogenic temperatures

AISI304 steel welded joints are used in cold‐stretched liquefied natural gas (LNG) storage tanks used for storing and transporting of liquefied gases. Compared with a conventional liquefied natural gas storage tank, a cold‐stretched liquefied natural gas storage tank has many advantages such as reduced thickness, light weight, low cost and low energy consumption. However, liquefied natural gas storage tanks can be subjected to alternative loads at cryogenic temperatures; thus, it is important to investigate the fatigue crack propagation behavior in AISI 304 steel welded joints at cryogenic temperatures. Specimens were machined from a cold‐stretched liquefied natural gas storage tank with a welding structure. The crack length was determined using compliance method and confirmed by examination with traveling microscope. Fatigue crack propagation rates were evaluated at various stress ratios and temperatures. The fatigue crack growth rate of all specimens a little appears the effect of stress ratio, but it has a great influence at a cryogenic temperature. The fatigue crack growth rate of longitudinal welded joint is the fastest at room and cryogenic temperature. Fracture mechanism in the specimen is examined using a scanning electron microscope.