超薄钛内衬复合材料高压气瓶力学特性分析

以卫星用超薄钛内衬T1000碳纤维增强复合材料高压气瓶为研究对象,基于各向同性材料弹塑性理论及复合材料层合板理论,建立三维有限元分析模型。通过对比分析金属内衬和复合材料层在不同内压下的位移、应力和应变分布规律,得到了这种气瓶在各承压工况下的力学特性,最后通过压力试验结果验证了有限元模型的准确性。研究结果表明:当内压超过气瓶的工作压力时,复合材料气瓶主要发生轴向变形,且内衬既有弹性变形又有塑性变形,复合材料层始终处于弹性变形。此外,气瓶爆破失效薄弱点在筒体与封头的过渡区域,在不均匀应变的作用下易沿环向发生撕裂而爆破。本文的研究成果可为超薄内衬复合材料高压气瓶的设计、试验等提供参考依据。     

纤维缠绕/金属内衬复合材料气瓶应力分析

针对纤维缠绕/金属内衬复合材料气瓶结构复杂、参数多及设计分析困难等问题,提出了一种面向设计的纤维缠绕/金属内衬复合材料气瓶应力分析方法,并通过一个碳纤维缠绕/铝合金内衬柱形复合材料气瓶的应力分析,评估了分析方法的有效性.     

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。     

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。     

一种卫星推进系统复合材料氦气瓶设计及验证

在忽略内衬的条件下,对一种卫星推进系统复合材料氦气瓶进行了初步设计,并在考虑内衬的情况下,对初步设计的结果进行了详细设计和改进,获得了气瓶的内衬厚度、螺旋纤维和环向纤维厚度及缠绕角等参数。用有限元法对所设计的氦气瓶进行静力学、稳定性和模态分析,并作了完整的鉴定试验。设计和验证结果表明,基于网格理论的复合材料容器设计法可用于空间高压气瓶的设计,用有限元法对气瓶的力学性能进行分析和验证。两者结合,可有效满足复合材料压力容器设计及其分析的工程需求。     

球形高压复合材料缠绕气瓶的缠绕层结构研究

对球形高压复合材料缠绕气瓶缠绕层结构进行了理论分析,并根据气瓶受力分析及其网格理论的计算方法,编制了一套计算软件程序,按此软件程序计算了气瓶缠绕层结构,利用ANSYS大型有限元程序建立气瓶缠绕层模型并进行了强度校核,经过鉴定试验分析,验证了气瓶缠绕层工艺结构设计的合理性。     

纤维缠绕气瓶设计分析

讨论了具有金属内衬的纤维缠绕气瓶在加压和卸压过程中的变形特性。依据网格理论,给出了纤维缠绕壳体的设计方法。对塑性性能良好的金属材料内衬,可用强度理论中的最大正应变准则进行强度设计。推导出气瓶卸压时内衬不失稳所应满足的条件。为使卸压时内衬不失稳,内衬与纤维缠绕壳体之间应有足够的粘接强度,而且内衬的壁厚应越薄越好。对壁厚较薄的内衬,给出了气瓶卸压时内衬不失稳的最小粘接强度的确定方法。算例表明,文中给出的设计分析方法,可用于具有金属内衬纤维缠绕气瓶的初步设计。     

提高金属内衬容器承载能力的预外压法

具有金属内衬的复合材料容器的承载能力很大程度上取决于金属内衬的弹性变形范围和稳定性。基于三维弹性理论。并结合第四强度理论。研究了在施加外压力时保证金属内衬不失稳的条件下,具有金属内衬的纤维缠绕容器的应力分布情况和承载能力的改善情况。结果表明,给金属内衬施加预外压力,可以提高容器的极限承载能力,更好地发挥纤维层的承载能力。     

一种卫星用钛内衬-碳纤维缠绕复合材料气瓶特性研究

为了研究复合材料高压气瓶固有特性,针对钛内衬（TA1）/碳纤维（T1000GB）缠绕柱形复合材料气瓶进行了特性分析和应力-应变检测。总结了内衬特性和复合层特性对气瓶产生的各种影响,根据柱形气瓶环向应变和纵向应变实测数据分析了瓶体应变的变化规律和主要影响参数,找出了瓶体强度薄弱区,为结构优化和同类产品设计提供了可靠数据和理论指导。     

复合材料容器最佳预压力的研究

具有金属内衬的纤维缠绕复合材料压力容器的承载能力在很大程度上取决于金属内衬的弹性变形范围。根据三维弹塑性理论,并结合强度条件,提出了自增强处理提高金属内衬弹性变形范围的方法,并研究了最佳预压力的求解方法及承载能力的提高情况。结果表明,通过对容器施加预压力,使内衬达到最佳塑性状态,可提高容器的极限承载能力。     

纤维缠绕厚壁柱形压力容器的应力和变形

研究了各向同性材料内胆对称缠绕纤维的厚壁圆柱形容器在内外压力作用下的变形和应力.采用正交各向异性本构关系和轴对称厚壁筒理论,利用解析方法获得了纤维层和内胆的变形和应力,以及纤维方向的应力;对壁厚较厚和不同缠绕角,更准确地揭示纤维向应力和内胆应力.比较了分别用玻璃纤维环氧和炭纤维环氧缠绕铝内胆和钢内胆的容器在内压作用下,不同缠绕角方案中内胆和纤维向应力分布.研究表明,壁厚对不同缠绕角容器的应力和变形影响不同,总体影响较小;从降低内胆的等效应力和充分发挥纤维纵向强度角度看,炭纤维缠绕铝筒最好;横向强度和剪切强度是缠绕复合材料容器的主要控制参数,缠绕工艺需要提高这些指标以充分发挥纤维纵向强度.     

复合材料缠绕气瓶可靠性验证技术

根据航天器用复合材料气瓶高可靠性特点,对复合材料气瓶的可靠性进行了分析,气瓶的失效模式主要为泄漏和爆破,影响因素分别为疲劳寿命和承压能力,其中疲劳寿命主要受内衬影响,而承压能力主要由复合层性能决定。最后对气瓶的可靠性试验进行了描述,举例说明了气瓶的可靠度试验验证方法。     

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。     

金属内衬复合材料高压气瓶研制技术

介绍了纤维缠绕金属内衬压力容器的工艺特点、性能优势和爆破前先泄漏(LBB)的安全失效模式,以及一般设计原则、材料和工艺要求。以某型号航天器携带的高压气瓶为例,详细阐述了复合材料高压气瓶的研制情况。     

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。     

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。     

多角度纤维缠绕复合材料圆筒张力设计

缠绕张力是纤维缠绕复合材料圆筒设计的一项重要研究内容,它对纤维缠绕复合材料圆筒的质量起着关键作用。基于三维各向异性弹性力学,提出了一种针对多层复合材料纤维增强树脂基圆筒的张力设计方法。模型中将张力诱导残余应力作为复合材料缠绕层初始应力,基于Tsai-Wu失效准则获得内压作用下给定铺层顺序的使得爆破压强最大的复合材料圆筒最佳张力制度。研究结果表明:对于单层螺旋缠绕,当缠绕角一定的情况下,随着张力的增加,圆筒爆破内压先增加后减小,不同缠绕角下对应的最佳张力值不同,随着缠绕角从0°～90°的增加,最佳张力值先减小后增加;对于多层螺旋缠绕,铺层模式确定的情况,随着缠绕张力的增加,爆破压强先增加后减小。因此,对于给定铺层模式,需要合理确定其缠绕张力,以保证最大限度地发挥纤维的承载能力。     

固体火箭发动机复合材料壳体裙连接区结构数值分析

对某固体火箭发动机纤维缠绕复合材料壳体轴压载荷作用下裙与筒段连接区(裙连接区)进行了有限元结构分析。依照壳体的结构特征和受力特性建立了裙连接区3D简化分析模型,通过对某芳纶纤维壳体仿真结果和实验数据的对比分析,验证了模型简化的合理性和有限元结果的正确性;最后对某炭纤维缠绕复合材料壳体裙连接区进行了数值分析和壳体连接区结构方案改进。结果表明,增加补强层厚度和提高补强层纤维模量可有效降低应变极值,改善结构应力分布,经改进的结构设计方案承载能力可提高20%。     

纤维缠绕固体火箭发动机壳体大变形有限元分析与仿真软件介绍

将全拉格朗日（Ｔ．Ｌ）法用于轴对称大变形问题，并对纤维缠绕固体火箭发动机壳体进行有限元分析，在此基础上完成了纤维缠绕复合材料壳体大变形有限元分析软件的编制，对壳体的缠绕情况，有限元网格划分、应力、应变、位移等的有限元计算进行一体化仿真。     

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%。