平面缠绕炭纤维压力容器大变形有限元分析

根据纤维缠绕复合材料压力容器的结构和工艺特点,用ANSYS有限元软件建立了2种封头形式的复合材料压力容器计算模型,模型包括封头上纤维缠绕角和缠绕厚度的变化,并对内压作用下结构的应变分布进行了静力学非线性计算。由于在内压作用下压力容器会产生较大的位移,因此在计算时考虑了大变形的影响。结果表明,在内压作用下,圆筒段的纤维受到拉伸作用,椭球型封头的部分区域出现了弯曲,纤维受到了挤压,而平衡型封头上应力变化平缓,结构整体向外膨胀。比较发现,计算结果和试验结果吻合较好,所建立的有限元模型和计算方法能较好模拟压力容器的真实受力情况。     

碳纤维缠绕复合气瓶的有限元数值分析

在仅考虑内压作用下,参考DOTCFFC标准对碳纤维缠绕压力容器在不同工况的应力、应变分布进行了有限元数值模拟研究。采用MSC.Marc大型有限元程序建立纤维缠绕复合材料气瓶的有限元模型,建模过程中将纤维缠绕层视为复合材料层合板处理,并对封头处缠绕层厚度及缠绕角进行简化处理。通过有限元数值计算,确定了气瓶的最佳预紧压力。计算中考虑了纵向缠绕角的变化在爆破压力下对气瓶的影响。数值计算结果表明:气瓶的应变以瓶身中部和肩部两侧的环向处应变最大,而气瓶肩部的变形并不明显。通过气瓶承受内压爆破试验的实验验证与数值计算结果基本符合,表明模型的简化和建立是合理可行的。研究结果为复合材料气瓶的优化设计提供了理论依据。     

纤维缠绕封头结构的一般性方程及其解

本文在壳体理论和均衡型网络分析的基础上,建立了纤维缠绕结构封头问题的一般性整化方程,可以用来求解封头曲面形状,纤维缠绕角和壳体厚度、纤维应力和应变、封头位移值、容积及其改变率、纱线长度和滑移系数等。对于等张力封头,给出了解析解;对于平面缠绕封头,用Rung-Kutta方法和Simpson方法给出了数值解,从而实现了表格化。     

纤维缠绕压力容器的爆破强度研究

本文采用纤维缠绕管状试件测试的基本性能常数和引进的退化系数(实验已测出了退化系数),用层合板理论研究了纤维缠绕压力容器的爆破强度,理论计算与实验结果比较表明,计算的容器爆破压力与实测的爆破压力,其相对误差不超过5%。     

复合材料气瓶有限元分析与爆破压力预测

利用ANSYS大型有限元程序建立了复合材料气瓶的有限元模型,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,利用最大应变准则预测了气瓶的爆破压力。通过分析结果与相应试验结果对比,验证了建模与分析方法的正确性。     

纤维缠绕壳体封头厚度的计算方法

纤维缠绕固体发动机壳体的厚度是不均匀的,壳体的封头形状、纱带宽度及两端开口均影响它的厚度.本文利用纤维叠带几何关系推导了一种计算纤维缠绕壳体封头厚度的公式.使用这一公式计算的壳体封头厚度,经与实测值比较表明,计算精度较高,可供纤维缠绕发动机壳体设计、工艺人员使用.     

纤维缠绕高压气瓶封头型面设计及应力估算

文章以“网格理论”为基础，对纤维缠绕高压气瓶封头部分的纤维应力进行了估算，并从力学要求以及缠绕规律出发，推导了“平面型封头”的型面方程，提出了适用于工程设计和加工的数值解法。推导的结果主要适用于短粗类型的压力气瓶、贮罐以及固体火箭发动机外壳的设计计算。     

纤维缠绕圆筒压力容器结构分析

对具有内衬的纤维缠绕圆筒压力容器进行了结构分析。将内衬作为各向同性材料,纤维缠绕圆筒作为正交异性材料处理。在内压作用下,得到了内衬和纤维缠绕圆筒的弹性应力和应变。讨论了内衬和纤维缠绕圆筒材料选取和结构设计准则,即应选取弹性模量很低,强度较高和塑性良好的材料作内衬;选取模量和强度都较高的纤维缠绕圆筒;内衬壁厚应尽可能薄,且与纤维缠绕圆筒粘接牢固。算例表明,弹性应力分析结果与测试值符合良好。     

石墨/环氧凯夫拉49纤维/环氧及混杂纤维复合材料的复合应力特性

为了表征纤维/环氧复合材料在复合应力作用下的力学性能,进行了一项实验研究。试样有两种:圆管和带有封头的圆筒形压力容器。它们均采用螺旋/环向(±α,90°)缠绕成型。本研究还分别对AS_4石墨纤维、凯夫拉纤维以及这两种混杂纤维/环氧迭层材料进行了试验。为了测定材料平面内力学性能,圆管试样承受了内压和超轴向载荷的作用。在与圆管试样对应的内压下,对压力容器也进行了试验,然后再做爆破试验以确定材料的极限强度。为了表征材料的时间相关特性,对试样进行了室温蠕变和回复试验。     

航天用改型芳酰胺纤维

纤维缠绕压力容器和火箭发动机壳体所用的芳酰胺纤维,其性能是由纤维强度和纤维一基体粘结力所决定的。用一种新的、强度更高且纤维—基体粘结力最佳的凯夫拉有机纤维,使压力容器的性能提高了50%。压力容器环向应力达到了3.55GPa,特性系数(PV/W)达到了40.4km。这种新纤维有较高的损伤容限。用于压力容器,其损伤容限为高应变石墨纤维(如IM—6)的十倍,是普通凯夫拉有机纤维的两倍。     

玻璃纤维树脂增强压力容器的三心圆封头的强度和变形——环半径/圆筒直径比对于球半径与圆筒直径相等的封头之影响

我们做了6台带有三心圆封头的玻璃纤维树脂增强圆筒压力容器的破坏试验。各容器的标称厚度与直径之比为0.01,封头的球半径和圆筒的直径都是1米。环半径有三种尺寸,分别为0.29、0.19和0.1米,相对应的封头高度分别是0.32、0.25和0.19米(每种尺寸的容器各做了两台试验)。把试验结果同现行的英国国家设计标准(BS4994)以及根据弹性应力分析运用计算机所求得的预测值(BOSOR4),进行了比较,完全证明了最大应力和应变是随环半径的减小而增加的。另外还发现:由于三心圆封头玻璃纤维树脂增强圆筒压力容器(GRP)的高弹应变,封头在压力作用下几何形状的变化对极限强度有很大的影响,再加上壁厚的局部增加,使得封头有所加强,以致在所试验的6台容器中,仅有3台的破坏发生在三心圆封头上。     

纤维缠绕压力容器结构有限元分析技术

针对纤维缠绕压力容器设计的特点，讨论了纤维缠绕压力容器结构的有限元分析(FEA)技术。简要介绍了纤维缠绕压力容器结构的有限元分析过程和常用软件，重点论述了有限元分析的能力、可靠性、效率和费用等内容，并指出了它的应用前景。     

航天复合材料压力容器研制技术

分析了航天复合材料压力容器技术指标特点。提出了容器金属内衬、增强纤维和树脂基体的选材要求。讨论了金属内衬全金属承压区、薄膜区、封头过渡区、封头/筒体界面、焊接区的结构设计方法,以及圆柱形、球形、近球形、椭球形、环形、锥形容器纤维缠绕复合材料壳体结构特点。简述了结构设计算法,以及包括疲劳寿命、应力断裂寿命、爆破前先泄漏(LBB)安全失效模式等容器安全设计的分析和试验方法。     

用电子计算器计算等张力封头子午线及法向等距曲线的方法

纤维缠绕成型的内压容器封头种类中,有一种被公认为理想的等张力封头。有时容器内壁在缠绕之前,芯模上还要预先贴一层等厚度的内衬,如果芯模的表层是以石膏材料用样板刮制成型的,那么封头型面的样板曲线应为等张力封头曲面子午线的法向等距曲线。关于     

带金属接头的复合材料壳体内压变形分析

采用数值方法对某2 m纤维缠绕壳体封头在内压作用下的位移进行了分析。采用层合单元建立该纤维缠绕壳体封头的变厚度数值分析模型,得到壳体内压作用下的变形模式。数值分析结果与水压试验得到的封头位移数据基本吻合。研究结果表明,带金属接头的复合材料壳体开口尺寸决定了前后封头的位移模式。前封头以复合材料部分的内压变形为主,在距离极孔约400 mm位置处发生最大位移,其值为21.8 mm。后封头以金属部分的内压变形为主,在后堵盖处发生最大位移,其值为30.4 mm。     

纤维缠绕圆环压力容器设计分析

基于网格理论,得到了纤维缠绕圆环压力容器在内压作用下的平衡方程。求解方程,得均衡缠绕角和纤维厚度都是平行圆半径R的减函数,即圆环外缘最小;纤维应力是R的增函数,即圆环外缘最大。利用最大应力强度准则,得到了单一螺旋缠绕及螺旋加环向缠绕圆环压力容器爆破压强的计算式。为了使计算的爆破压强与实际结果相符合,纤维发挥强度的选取必须由模拟试验确定。     

纤维缠绕热塑性树脂基压力容器

本文讨论了耐高温热塑性树脂/碳纤维压力容器的缠绕成型工艺。对ASTMD—2585压力容器的制造设备及设计参数进行了描述。通过水压爆破试验,对环氧/碳纤维和热塑性基体/碳纤维二种复合材料的性能进行了比较,得到了水压爆破的试验数据,包括爆破压力、复合材料和纤维的拉伸强度以及容器的特性系数(PV/W)。另外,对纤维缠绕复合材料的固结成型以及容器的显微照片进行了研究和讨论。     

纤维缠绕壳体的应力平衡系数和圆筒缠绕角

讨论了纤维缠绕壳体应力平衡系数的定义.在封头与圆筒等强的条件下,给出了应力平衡系数的确定方法.得到了应力平衡系数k_s与圆筒缠绕角α的关系式.结果表明,应力平衡系数随圆筒缠绕角的减小而减小.只要k_s<1,则应力平衡系数的引入,将增加圆筒的质量.为此,适当增大圆筒缠绕角,既能使封头得以加强,又能减小圆筒质量的增加.     

碳纤维环氧压力容器封头加强研究

本文提出用环向缠绕的复合材料垫片对封头进行局部加强,使发动机在圆筒段的螺旋/环向设计应力比提高,最大限度地降低螺旋层材料重量,使压力容器的PV/W值达到最大。本文对最佳封头垫片的加强技术进行了研究和验证。利用试验容器和有限元模型,比较了封头加强的许多方法,得到了最能提高封头强度的加强形式。试验表明,采用这些加强方法封头强度可比未加强的提高17％,而重量增加极小。     

航天飞行器用的低成本高性能纤维/金属复合容器

介绍了纤维缠绕复合筒形和近球形压力容器,讨论了低成本、高性能金属内衬和纤维外缠工艺的进展,比较了压力容器的性能,详细叙述了用于未来航天飞行器容器的可能性。