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。     

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。     

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%。     

自紧压力对车用玻璃纤维环向缠绕气瓶疲劳次数的影响研究

运用有限元分析软件,分析了不同的自紧压力对车用玻璃纤维环向缠绕气瓶疲劳次数的影响,采用新的许用应力幅度-循环次数曲线代替JB 4732,对不同自紧压力下的疲劳寿命进行了计算,认为如果不进行自紧处理,无法满足气瓶疲劳试验的要求。     

自紧影响CNG-2气瓶疲劳寿命的主因探究

利用有限元数值分析,根据欧标EN13445-3-2009相关规定,对自紧影响气瓶疲劳性能的原因和规律进行研究。结果表明:随着自紧压力的增加,气瓶内胆工作压力下拉应力降低,但零压下压应力增加,使得内胆的应力幅基本保持不变,而平均应力降低。另外,依据EN13445-3-2009相关理论,得出应力幅不是自紧改善气瓶疲劳性能的主要原因,平均应力降低才是影响疲劳寿命主因的结论。     

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。     

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。     

复合材料天然气气瓶预紧压力的研究

本文针对铝内衬全缠绕复合材料天然气气瓶,应用ALGOR FEAS有限元分析系统进行了气瓶材料的弹塑性历程分析,设计了气瓶的预紧压力。采用轴对称的应力－应变关系对气瓶金属内衬、复合材料进行了应力分析,确定了气瓶的应力分布状态。研究表明,通过预紧压力设计,降低了铝内衬工作状态下的最大拉应力,实现了提高复合材料气瓶疲劳寿命的目的。     

复合材料气瓶的多轴疲劳寿命预测研究

采用等效应变法计算气瓶疲劳寿命的ASME压力容器规范,不能考虑多轴非比例加载效应,具有明显的不足。针对复合材料气瓶,采用修正的Brown-Miller算法研究其多轴低周疲劳寿命,并分析了自紧压力、金属内衬厚度和单层缠绕层厚度对复合材料气瓶疲劳寿命的影响,给出了提高复合材料气瓶疲劳寿命的方法。     

薄壁铝内衬缠绕高压复合材料气瓶的疲劳及爆破性能研究

为研制高结构效率的复合材料气瓶,采用T700碳纤维/环氧树脂体系在薄壁铝金属内衬上缠绕成型复合气瓶,对其进行了水压自紧试验,100次0～36MPa水压疲劳试验以及水压爆破试验,并且采用声发射、应变测试等方法对试验过程进行检测。结果表明,经过水压自紧试验后复合材料气瓶具有较好的疲劳性能,100次疲劳对气瓶的损伤较少,并且经过疲劳后的气瓶爆破压强仍然达到88MPa,具有较高的结构效率。     

金属内衬纤维缠绕复合气瓶自紧压力优化

为了达到提高承载能力和疲劳寿命的目的,往往在气瓶固化之后水压试验之前,对气瓶进行自紧处理。本文以市场上常见的钢制内胆E玻璃纤维复合气瓶为研究对象,采用Ansys有限元分析软件,建立各向同性金属材料和各向异性复合材料层的有限元分析模型,分析了自紧压力变化对气瓶应力和疲劳寿命的影响,最后确定气瓶最佳自紧压力。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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.     

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。     

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。     

复合材料气瓶的优化设计

随着能源结构的变化和环境污染问题的日益加剧,汽车工业的研究重点开始转向清洁能源领域,采用天然气为能源的汽车已经越来越受到人们的欢迎,而作为天然气的盛装载体——气瓶的发展必将会迎来全新的挑战.借助有限元分析软件,对车用压缩天然气钢质内胆环向缠绕气瓶进行了有限元分析,得出了各工况下复合材料气瓶应力分布关系,为复合材料气瓶的优化设计提供了思考和借鉴.