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。     

基于ACP的碳纤维复合材料气瓶渐进损伤与爆破压力预测

碳纤维复合材料气瓶失效与爆破压力预测技术呈现出越来越多样化的趋势。基于ANSYS ACP建立了T800碳纤维复合材料气瓶理论模型,采用Camanho P P提出的刚度退化方案,对2.4L复合材料气瓶进行了渐进失效和爆破压力的预测,详细阐述了模型的构建和结构损伤,重点分析了含基体开裂、纤维断裂和内胆破裂缺陷下不同缠绕层的气瓶应力分布和损伤过程。最后通过水压爆破试验得到实验结果,该结果与理论值吻合较好。     

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。     

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.     

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。     

4L复合材料高压气瓶的研制与验证

本文研究的4L复合材料高压气瓶具有大长径比(5.68),需进行10 000次压力循环的疲劳试验,疲劳试验之后不得有肉眼可见的损伤、变形和渗漏的缺陷。依据气瓶的性能要求设计铝合金内衬和复合材料铺层,确定内衬的结构尺寸和缠绕工装形式,选择合理的复合材料铺层,通过爆破试验和疲劳爆破试验对设计的方案进行验证,结果表明:方案科学合理。     

基于SPH方法的鸟撞复合材料层合板数值分析

采用光滑粒子流体动力学法(SPH)耦合有限元法对复合材料层合板受鸟撞击的过程进行了数值模拟。复合材料层合板采用渐进损伤模型,鸟体采用SPH粒子建立模型,利用ANSYS/LS-DYNA显示动力分析模块分析了复合材料层合板结构非线性接触。分析了鸟撞层合板过程中鸟体损伤及层合板单层纤维失效和基体失效情况,分析了鸟体的入射角方向及层合板采用不同铺层时对层合板吸能效果的影响。计算结果表明,合理设计层合板铺层可以提高层合板的吸能效果。     

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。     

复合材料L型接头的损伤与破坏模式研究

建立了渐进损伤模型模拟接头失效,模型中采用改进的Hashin损伤准则及Apalak刚度退化模拟L筋条及蒙皮的损伤和渐进失效,胶层失效通过内聚力单元进行模拟,并预估L型接头的最终破坏载荷。结果表明:建立的渐进失效模型可以较准确地模拟L型接头的拉伸破坏过程,L型接头的失效主要包括胶层的开裂、填充区底部基体的拉伸破坏和蒙皮层的分层破坏。     

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。     

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。     

缠绕张力对薄壁金属内衬复合材料气瓶性能影响

通过薄壁金属内衬的外压强度试验、不同缠绕张力NOL环以及复合材料气瓶的力学性能试验,采用声发射的检测方法研究缠绕张力对薄壁金属内衬复合材料气瓶的疲劳以及爆破性能的影响。结果表明,薄壁金属内衬的外压强度较小,缠绕张力对复合气瓶的疲劳以及爆破性能影响较大,采用声发射信号以及气瓶的性能试验研究可以指导制定最优化的缠绕张力制度。     

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。     

复合材料蜂窝夹芯修补结构弯曲特性与温度相关性研究

建立复合材料蜂窝夹芯修补结构的渐进损伤分析模型,研究修补后蜂窝夹芯结构在弯曲载荷作用下的极限承载能力及损伤破坏模式,并进一步研究修补结构弯曲性能与温度的相关性。通过编写VUMAT子程序,设置补片以及蜂窝损伤板的失效准则及刚度退化模式,选用Cohesive单元以模拟修补结构中胶层的损伤状况,完成复合材料蜂窝夹芯修补结构的渐进损伤分析。研究结果表明:结构弯曲承载能力和胶层的粘结能力受温度影响较大,结构弯曲承载强度随温度的升高而减小,且脱粘失效会破坏结构的完整性;蜂窝夹芯结构面板基体损伤首先发生在90°方向铺层处,纤维基体剪切损伤首先发生在面板0°铺层处,并沿垂直于施载方向扩展至自由边界。     

NOL环层间剪切强度对T700S级干喷湿纺碳纤维湿法缠绕复合材料性能的影响

为研究影响碳纤维湿法缠绕复合材料性能的因素,通过国内外T700S级碳纤维表面状态、NOL环及φ150容器的性能试验,研究了NOL环层剪强度对T700S级干喷湿纺碳纤维湿法缠绕复合材料性能的影响。结果表明,T700S级干喷湿纺碳纤维φ150mm容器爆破性能与复合材料NOL环层剪强度相关,层剪强度越高,其φ150mm容器爆破性能越低。     

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．     

基于Zinoviev理论的含孔复合材料层合板三维有限元渐进失效分析

建立了含孔复合材料层合板的三维有限元模型,以二维Zinovie理论为基础,结合改进的三维Hashin准则,对二维Zinoviev理论进行了简化和拓展,提出了适用于三维模型的刚度退化方案,完成了对层合板的渐进失效分析。从纤维失效、基体失效、分层失效三个方面讨论了层合板在拉伸载荷作用下的失效过程,并预测了层合板的拉伸极限强度及破坏模式。数值模拟结果与试验基本吻合,验证了所提出退化模型的正确性。     

平纹编织面板蜂窝夹芯结构侧压性能研究

为研究平纹编织面板蜂窝夹芯结构的侧向压缩性能,将蜂窝夹芯结构失效分为面板失效、蜂窝芯失效和胶层失效,基于渐进损伤分析方法建立蜂窝夹芯结构侧向压缩的损伤分析模型,对平纹编织面板蜂窝夹芯结构进行侧向压缩失效预测,与侧压性能试验结果相比,破坏强度非常吻合。结果表明,建立的侧向压缩损伤分析模型能够模拟平纹编织面板蜂窝夹芯结构侧向压缩的损伤起始、损伤扩展和最终破坏,并最终预测其侧压破坏强度。     

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。     

有拧紧力矩复合材料单钉接头疲劳寿命预测

通过对有拧紧力矩复合材料单钉接头疲劳加载过程应力分析及材料三维疲劳失效准则损伤判定,并结合建立的疲劳加载材料退化模型、材料性能退化方法及复合材料接头最终失效判据,建立了基于三维累积损伤分析的层合板接头疲劳载荷作用下寿命预测方法。最后,对拉-拉疲劳载荷作用下有拧紧力矩层合板接头的疲劳寿命及破坏模式进行了模拟分析,并与试验结果进行了对比,结果表明,建立的寿命预测方法能够很好地预测有拧紧力矩复合材料单钉接头的寿命以及破坏模式。