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碳纤维复合材料强度与碳纤维缠绕铝内胆复合气瓶的研究

作　者: 李玮
导　师: 段成红
学　校: 北京化工大学
专　业: 化工过程机械
关键词: 碳纤维复合材料 NOL环复合气瓶自紧技术有限元分析
分类号: TB332
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 302次
引　用: 3次
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内容摘要

复合材料作为一种新型材料,具有比强度高、可设计性强、功能性能全面、经济性良好等优点,在工业上的应用越来越广,特别是在一些工况苛刻、设计条件高的领域,如航空航天、交通运输、特殊压力容器等。虽然复合材料已在很多领域得到应用,但对其材料性能的研究还远不充分。为了节省试验经费,应在进行必要试验的同时,对碳纤维复合材料的性能进行模拟计算。本文针对一标准试验,利用ANSYS软件的节点耦合技术和接触分析技术分别对某碳纤维复合材料制成的NOL环进行了拉伸破坏载荷下的强度计算和拉伸试验。通过计算值与试验结果的对比证明,有限元模拟具有一定的可行性和准确性。在汽车和化工等领域,常需要使用高性能的气瓶完成介质的储存、运输和反应等过程,复合材料气瓶就是其中之一。本文针对某厂家生产的4.3L碳纤维缠绕铝内胆复合气瓶,利用ANSYS有限元分析软件对其力学性能进行了模拟分析。讨论了自紧技术对气瓶性能的影响,应用DOT CFFC设计准则,通过优化设计得出了该气瓶的最佳自紧压力。分析了复合材料气瓶经过自紧作用后在零压力、工作压力、水压试验压力和最小爆破压力下的力学性能,并将自紧和非自紧状态下气瓶的应力状况进行了对比,证明了自紧作用能显著提高气瓶的力学性能。比较了复合材料气瓶和常用钢制材料气瓶在性能方面的差异,结果表明,复合材料气瓶具有良好的力学性能和经济性能。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-15
第一章绪论  15-25
  1.1 本课题的研究背景  15-16
  1.2 国内外研究现状  16-21
    1.2.1 理论公式研究  16-17
    1.2.2 纤维缠绕成型研究  17
    1.2.3 纤维缠绕张力研究  17-18
    1.2.4 纤维缠绕结构优化研究  18-19
    1.2.5 缠绕残余应力研究  19
    1.2.6 复合材料性能预测研究  19
    1.2.7 复合材料性能的有限元分析研究  19-20
    1.2.8 复合材料性能的试验研究  20
    1.2.9 小结  20-21
  1.3 本课题研究的主要内容  21
  1.4 本课题的研究方法  21-22
  1.5 本课题的意义  22-25
第二章碳纤维复合材料强度的有限元模拟及试验分析  25-39
  2.1 概述  25-26
  2.2 碳纤维复合材料强度的有限元模拟  26-33
    2.2.1 NOL环基本参数  26-27
    2.2.2 采用节点耦合技术进行分析  27-30
    2.2.3 采用接触模型进行分析  30-33
  2.3 碳纤维复合材料强度的试验分析  33-37
    2.3.1 试样制作方法  34-35
    2.3.2 拉伸试验装置  35-36
    2.3.3 拉伸试验方法  36
    2.3.4 拉伸强度计算  36
    2.3.5 试验结果及分析  36-37
  2.4 本章小结  37-39
第三章复合材料压力容器概述  39-53
  3.1 复合材料压力容器的特点  39-40
  3.2 复合材料气瓶的结构组成  40-42
    3.2.1 纤维  40-41
    3.2.2 树脂  41
    3.2.3 内胆  41-42
  3.3 纤维缠绕技术概述  42-44
  3.4 网格理论  44-49
    3.4.1 纤维缠绕筒身段的网格分析  45-47
    3.4.2 纤维缠绕封头段的网格分析  47-49
  3.5 复合材料的力学失效准则  49-51
  3.6 复合材料压力容器相关标准  51-52
  3.7 本章小结  52-53
第四章碳纤维缠绕铝内胆复合气瓶的有限元分析  53-65
  4.1 三维正交材料的应力应变关系  53-54
  4.2 模型的建立  54-61
    4.2.1 内衬模型的建立  54-55
    4.2.2 内衬单元选择及网格划分  55
    4.2.3 纤维缠绕层模型的建立  55-56
    4.2.4 纤维缠绕层单元选择及网格划分  56-57
    4.2.5 纤维层实常数的定义  57-61
  4.3 边界条件  61
  4.4 求解结果  61-64
  4.5 本章小结  64-65
第五章碳纤维缠绕铝内胆复合气瓶在自紧作用下的有限元分析  65-81
  5.1 自紧原理介绍  65-66
  5.2 自紧压力的优化设计  66-70
  5.3 最佳自紧压力作用下气瓶的应力分析  70-75
  5.4 气瓶经自紧处理和未经自紧处理应力情况比较  75-78
  5.5 复合气瓶与钢结构气瓶的比较分析  78-80
  5.6 本章小结  80-81
第六章结论与展望  81-83
  6.1 结论  81
  6.2 展望  81-83
参考文献  83-87
致谢  87-89
攻读硕士学位期间发表的学术论文  89-91
作者和导师简介  91-92
北京化二大学硕士研究生学位论文答辩委员会决议书  92-93

碳纤维复合材料强度与碳纤维缠绕铝内胆复合气瓶的研究

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