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。     

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。     

纤维缠绕金属内衬压力容器的设计和分析技术

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、构形、材料和工艺要求。分析了金属内衬的厚度、过渡区、焊接区和纤维缠绕层。以及输入输出极孔的设计技术。阐明了用于静力分析的解析法和数值法，以及用于循环寿命预测的断裂力学分析法。最后概述了一些新技术、新材料的应用情况，并指出了压力容器设计的发展趋势。     

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。     

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。     

“柱形”铝内衬纤维缠绕复合材料气瓶自紧分析

自紧是纤维缠绕复合材料气瓶加工成型过程中的关键工序,其自紧压力大小直接影响气瓶的承压能力及疲劳寿命。本文基于复合材料层合板理论及各向同性材料弹塑性理论,采用ANSYS有限元分析软件,建立各向同性金属材料及各向异性复合材料层的有限元分析模型,对航天用53 L"柱型"铝内衬纤维缠绕复合材料气瓶进行自紧分析,研究自紧压力对气瓶铝内衬和纤维缠绕层受力状态的影响,确定气瓶最佳自紧压力。研究表明,自紧处理能显著降低气瓶铝内衬在工作压力下的最大拉应力,扩大其弹性工作范围,提高疲劳性能。     

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。     

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.     

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.     

高压金属软管应力及参数敏感度分析

某型号发动机热试车考核中高压金属软管多次出现破坏。通过建立软管有限元模型,采用非线性有限元分析了软管应力分布和各部分承载特点,判断波峰处轴向应力是影响软管结构强度的主要因素,有限元计算结果和试验破坏部位一致,表明有限元模型的合理性。在此基础上,通过参数化建模、设计中心复合实验和进行参数敏感度分析,得出影响波峰处最大轴向应力的敏感参数,为结构参数优化提供了依据。     

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。     

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%。     

基于三维有限元模型的弹翼胶接结构胶层应力分析

目前对复合材料胶接修理结构中胶层的模拟多采用二维平面单元,不能有效模拟胶层在外载荷作用下的真实应力状态。考虑某飞行器弹翼修理时形成的复合材料双面胶接结构承受载荷后处于三维应力状态的情况,建立了该修理结构的三维有限元模型,计算出单向拉伸条件下胶层的剪应力,并与Hart-Smith解析解进行对比。分析结果表明三维有限元模型正确、合理。利用所建立的模型分析胶层的剪应力和剥离应力的分布特点,得出胶层破坏的失效顺序,为胶接修理结构的承载能力分析以及结构改进提供参考依据。     

锥柱形加筋金属膜片变形的数值仿真分析

概述了金属膜片贮箱膜片结构的研究现状,提出了锥柱形加筋膜片整体结构变形问题。根据试验情况建立了该膜片的有限元模型,并基于非线性有限元软件MSC.Marc进行了数值模拟,分析了膜片结构的变形过程和变化规律,通过对加筋结构的分析解释了膜片变形的机理,得到了一些控制膜片失效的方法。     

复合材料格栅结构的强度分析(英文)

复合材料格栅结构是由连续纤维缠绕的斜向及环向肋和蒙皮组成的结构。对ANSYS软件进行了二次开发,分别采用层合板和层合梁单元模拟复合材料格栅结构的蒙皮和肋。根据复合材料格栅结构的几何特征及其载荷分布特征,采用周期对称有限元模型,分别以最大应力准则、最大应变准则和蔡-吴准则和Chang刚度退化准则对轴压载荷作用下的复合材料格栅结构破坏过程进行了强度预测,计算结果表明采用蔡-吴准则预测并结合Chang刚度退化准则的计算结果与试验结果的一致性较好。