不同纏繞工藝下復合材料氣瓶力學性能研究.pdf

1、復合材料氣瓶因質量輕、強度高、抗疲勞性能好等優(yōu)點，已成功應用到諸多領域中。然而，目前對復合材料氣瓶的結構設計和性能分析仍存在許多不足。如在復合材料氣瓶損傷失效方面，僅分析了復合材料層的失效形式，并未給出整體結構的失效過程；在復合材料氣瓶非測地線纏繞方面，研究只停留在改變纏繞角度，并未考慮到螺旋纏繞角對筒體纏繞層厚度再分配的影響；在復合材料氣瓶的瓶肩堆積方面，工程上只是憑借纏繞經(jīng)驗，采用擴孔法減少瓶肩的纖維堆積，但相關的理論研究較少。針對

2、以上存在的不足，本文結合理論分析和數(shù)值模擬方法，對復合材料氣瓶的結構和性能進行研究分析，主要工作及研究結果如下：
　　（1）本文采用漸進損傷方法，模擬復合材料氣瓶的整體失效過程。基體開裂首先出現(xiàn)在筒體復合材料層上，由等厚段向兩端擴展；在封頭上出現(xiàn)較晚，由兩端向中心擴展。基體全部開裂以后，氣瓶上的纖維還保持完好。內壓繼續(xù)增加，當達到某一值后，筒體上的纖維出現(xiàn)了局部斷裂，與基體擴展方向不同，纖維斷裂除了由初始位置向兩端擴展外，還沿徑向

3、局部擴展。纖維的斷裂極大程度上降低了氣瓶的承載能力，內膽在纖維斷裂初始位置變形增大，然后破裂，導致氣瓶最終整體失效。計算得到，該類氣瓶的最終爆破壓力為112MPa，接近試驗值108MPa。
　?。?）根據(jù)DOT-CFFC標準要求，確定復合材料氣瓶自緊壓力的變化范圍。在此基礎上，研究自緊壓力對氣瓶疲勞壽命的影響，結果表明筒體等厚段的等效應力幅隨著自緊壓力的增大而增大。從而，確定出該類氣瓶的最佳自緊力約為54MPa。
　?。?）

4、針對非測地線的研究不足，本文考慮纏繞角對筒體纏繞層厚度再分配的影響，通過封頭的非測地線理論分析，得出偏差角的允許范圍，并結合偏差角對氣瓶應變的影響，確定出其最佳值。在此基礎上，采用應力分析和漸進損傷方法，探討非測地線纏繞對氣瓶的力學性能影響，研究表明非測地線纏繞不改變氣瓶的極限承載能力，同時能提高封頭的強度。對于該類氣瓶，公稱工作壓力下，采用最佳偏差角纏繞的氣瓶，其封頭的內壁和外壁在極孔附近的Mises應力分別平均降低6.4%和4.3%

5、。對于不同偏差角的氣瓶，其爆破壓力均為112MPa，與測地線纏繞氣瓶相同。
　?。?）針對瓶肩堆積問題，本文提出帶寬擴孔法和極值擴孔法。研究發(fā)現(xiàn)擴孔不僅能夠降低極孔附近的纖維堆積，還能夠讓封頭上的纖維分配更加均勻。通過比較不同擴孔模型模擬結果，發(fā)現(xiàn)對于該類氣瓶采用一帶寬和一帶半寬各一次擴孔效果最佳，能夠在保證纖維極值厚度降低31.5%的基礎上，降低氣瓶整體應力水平。通過漸進損傷分析，發(fā)現(xiàn)擴孔技術能提高氣瓶的極限承載能力。因此，在適