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。     

封头补强技术研究

研究了碳纤维／环氧复合材料φ１５０ｍｍ和φ４８０ｍｍ压力容器封头的局部补强方法和工艺，试验结果表明：φ４８０ｍｍ压力容器经在大金属件边缘补强后改变了水压爆破时金属件飞出的现象，纤维强度得以充分发挥而使筒身段纵环向同时破坏；φ１５０ｍｍ压力容器的应力平衡系数可由０．７５提高到０．８５以上，筒身段纵向纤维发挥强度由２０９０ＭＰａ提高到２３３６ＭＰａ，提高约１１．８％。由此可见，壳体铺层设计与封头补强巧妙地结合是壳体优化设计的重要方法，是充分发挥纵向纤维强度的有效措施。     

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。     

基于FEA的某真空容器封头结构的强度评定

封头是真空容器的重要组成部分,文章采用有限元法建立了某大型立式真空容器封头与圆筒体连接段的模型,利用ANSYS分析软件对球冠形封头与筒体的几种连接方案作了系列计算,并进行了应力分类及强度评定。在满足设计要求的情况下从几个改进方案中找出优化设计结构,提高了结构设计质量。有限元分析结果为封头的结构设计与制造提供了理论依据与技术支持。     

炭纤维壳体封头设计的几个问题

讨论了炭纤维壳体封头低压破坏的原因及3种破坏模式,即靠近赤道附近部位的封头发生断裂,极孔部位在环向应力作用下断裂和封头沿接头肩部外缘被剪(弯)断;得到了3种破坏模式的强度校核公式.给出了防止封头破坏宜采取的有效措施,对开孔很大的后封头,宜采取补强措施;给出了补强层厚度和补强范围的确定方法.     

T250钢大直径薄壁圆筒旋压工艺试验研究

介绍了T250钢大直径薄壁圆筒旋压工艺试验过程,讨论了试验过程中圆筒堆料、鼓包等问题产生的原因及其解决措施,确定了强力旋压四道次、不进行中间固溶处理的工艺路线及各道次旋压工艺参数,能够加工出质量基本满足技术条件的旋压圆筒。     

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。     

精铸钛合金后封头壳体研制

后封头是某高压容器的一个关键承力件。该封头直径大、薄壁、形状复杂、开口比为0.9,工作压力高达9.8Mpa。壳体采用钛合金精铸,减轻重量40％,降低成本20～50％。经鉴定,此项技术成果达到了国际先进水平。后封头壳体选用铸钛合金ZTC_4(Ti—6A1—4V)时通过增添加强筋及从工艺上采用“热等静压”热处理来弥补钛合金E值低和消除铸件本身材质疏松等弊病。通过测试,获得水压强试验应力分布试验曲线及“热等静压”后的铸钛合金ZTC_4材料性能数据,为今后类似产品设计及使用作参考。     

纤维缠绕复合材料及混杂复合材料的双轴力学性能

本文对碳纤维(CF),Kevlar 49纤维(KF),玻璃纤维(GF)及其层内混杂复合材料压力容器的成型工艺和双轴力学性能进行了试验研究。对容器在内压作用下因刚度退化所引起的非线性应力应变行为,用逐步线性刚度退化理论进行拟合,所得理论值和实验结果相当吻合。水压试验和应变测试表明,在KF压力容器中加入CF,并使强度基本不变的前提下,可明显提高容器的刚度,基体的开裂强度有可能提高近3倍。若CF—GF层内混杂,则表现出较大的负混杂效应。     

大直径D406A钢圆筒旋压试验研究

简要介绍了大直径(φ1200mm)D406A钢圆筒旋压工艺试验过程,对旋压道次的安排及工艺参数的选择进行了工艺试验,最终摸索出了较佳的工艺参数,旋压出了合格的圆筒,对其它规格型号的圆筒旋压具有参考意义。     

树脂/纤维界面对凯夫拉压力容器性能的影响

本文报导了凯夫拉-49纤维缠绕的直径为5.75英寸各种压力容器的环向纤维应力特性,在这些容器制作中,分别采用了不同的环氧树脂系统,一种松粘剂预处理的纤维/环氧系统,一种环向纤维材料上不加树脂的系统以及一种未经预处理的系统。树脂系统以三类常用的环氧树脂为代表:刚性环氧树脂、半柔性环氧树脂、及橡胶增韧的粘性环氧树脂。曾通过压力容器试验温度的变化来导致纤维/基体界面的变化。由于纤维/基体的高度偶联,引起了压力容器中纤维拉伸性能的降低,其值为凯夫拉-49浸胶纱带公称拉伸强度的51-77%。本文并提出了解释这些现象的机理。     

炭纤维复合材料壳体封头新型环向补强的数值模拟及试验

针对内压承载工况下炭纤维复合材料壳体封头的补强问题,基于网格理论完成了不同封头补强方式的480 mm纤维缠绕壳体的设计;利用商业有限元软件Abaqus和二次开发语言Python建立了含有补强结构的复合材料壳体的细观仿真模型,并通过数值仿真方法对接头附近的封头环向、纵向补强结构的补强作用规律进行了计算研究;通过壳体产品研制和水压试验研究了不同补强方法的成型工艺性和对内压承载性能的提升效果。结果表明,采用环向补强技术的封头内压下具有更低的纤维方向应变和层间剪切应力;采用环向补强技术的封头内压下具有更大的轴向变形,更小的法向变形,与纵向补强方法结果相反;采用环向补强壳体的封头内压承载性能和稳定性能明显优于纵向补强方法;采用环向补强的复合材料壳体容器特征系数比纵向补强复合材料壳体提高了约5%。     

玻璃纤维/环氧树脂压力容器的十年环境试验

本文讨论的复合材料压力容器是以铝作衬层、玻璃纤维增强、环氧树脂作胶粘剂的贮罐。这种复合材料容器的主要特点是重量轻。为了评估这种容器的长期性能,美国国家航空和航天局约翰逊空间中心(NASA JSC)购买了大约30个容器用作长期环境试验,试验由航空和航天局刘易斯研究中心(LeRC)负责进行。容器在加压条件下,在室外环境存放10年,在此期间,对容器定期进行循环和爆破试验。复合材料未涂保护层。环境试验的结果表明,压力容器的强度明显降低。同样的压力容器在室内存放,几乎没有强度损失。本文包括:容器的介绍,试验计划的讨论,每个容器的数据,相应的图表,并进行比较,最后给出结论。     

凯夫拉—环氧树脂压力容器在室温和高温下的静态疲劳寿命

本文讨论了50台把凯夫拉-环氧树脂作为壳体基体材料的纤维压力容器的实验情况。1978年以来,在室温条件下对15台球形容器进行了连续加压实验,壳体均没有破坏。另外也叙述了目前正在进行的175℉和200℉下其它壳体试验的一些情况。实验温度高于200℉的20台容器已进行了爆破试验,通过把容器加压到室温下实际平均爆破压力的一半,然后持续置于250℉的环境中,测得球形容器使用寿命为19—31小时,圆筒容器为48—160小时。虽然目前尚不清楚静态疲劳寿命随容器的形状而明显不同的原因,然而本文对所观察到的这种特性提出了一项假设。     

接管弯矩作用下筒体-补强圈补强区局部应力的试验研究

本文对接管弯矩作用下压力容器开孔-补强区的局部应力进行了试验研究。研究范围包括三台具有不同d/D比及补强圈补强的试验容器。试验结果表明,在接管弯矩作用下,容器筒体在补强圈补强范围内的局部应力,特别是孔边的应力集中明显降低,但由于几何形状的不连续及焊缝的作用,在补强圈外边缘特别是容器横向截面内出现了较大的不连续性应力,试验结果同时表明,接管横向弯矩M。在容器横向截面内产生的应力比接管纵向弯矩M_L在容器纵向截面内产生的应力要大得多。     

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。     

针刺C/C-SiC复合材料薄壁圆筒弯曲性能研究

通过"化学气相渗透法+先驱体浸渍裂解法(CVI+PIP)"制备了三维针刺C/C-SiC薄壁圆筒,弯曲性能作为针刺薄壁圆筒类产品的关键性能,研究了不同试样尺寸、取样方法、测试方式对其的影响。结果表明,当试样跨厚比(l/h)≤10时,试样破坏形式为压缩破坏和层间剪切破坏;跨厚比(l/h)=10时,材料弯曲强度高、离散系数较小,且破坏形式以弯曲破坏为主;与取样部位曲率半径相等的弧形试样较平板试样测量结果数据离散性小,且为弯曲破坏断口,环向取样方向若与切线存在夹角将导致其弯曲性能一定程度的下降;弯曲试样弧面向下测试时,试样的弯曲强度一定程度的高于弧面向上测试时材料的相应强度,观察材料的弯曲断面,材料断口均有一定的纤维拔出,材料表现为一定韧性断裂方式。     

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。     

可用于先进复合材料的一种中温固化环氧树脂

本文评价了一种可用于纤维缠绕先进复合材料的,以聚醚三胺进行固化的双酚F 环氧树脂。该树脂系统具有低粘度,长使用期,并能在中温下进行固化。使用这种树脂制造的复合材料,未发现明显的纤维微皱摺或分层现象,这意味着介于纤维和基体之间不同的热膨胀系数已不成为一个问题。该树脂系统浇注体典型力学性能(拉伸、压缩和剪切)已测得。拉伸:最大应力75.8兆帕(Mpa),最大应力下的应变为4.2%,模量为3171兆帕,断裂应力为71兆帕,断裂应变为5.8%。压缩:最大应力为87兆帕,最大应力下的应变为4.7%,模量为3150兆帕。剪切:断裂应力为52.2兆帕,冲击强度为32.6牛顿米/米。     

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。