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《北京化工大学》 2011年
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碳纤维—铝合金复合材料气瓶的应力分析与优化设计

吴祥  
【摘要】:本文以1.8L复合材料气瓶为例,采用ANSYS12.0中APDL语言建立起复合材料气瓶的有限元模型,并对封头段、封头与筒身过渡段、封头与极孔过渡段做了变厚度和变角度的处理,使得有限元模型更加接近真实情况。在复合材料气瓶制造过程中,自紧是一项重要工艺,自紧后内胆产生残余压缩应力;当气瓶正常工作时,内胆在工作压力下产生的拉伸应力与预紧后产生的残余压缩应力相迭加,内胆应力降低,外侧纤维应力提高,使得气瓶的应力分布更合理。根据《DOTCFFC》标准,分析了自紧过程和确定了自紧压力的范围;给出了复合气瓶在工作状态下、水压试验状态下和最小爆破压力状态下的内胆MISES应力分布和纤维层的纤维向应力分布,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。考虑了几何非线性对复合材料气瓶性能的影响以及根据内胆应力值确定了疲劳破坏的位置。 本文采用ANSYS中的优化模块对复合材料气瓶进行了优化设计。在优化设计中,以纤维层的体积最小为优化目标函数,以自紧压力、纤维厚度和缠绕角度为设计变量,根据《DOT CFFC》标准规定的各工况下的应力限制范围作为状态变量,采用零阶优化的方法综合考虑自紧压力、纤维厚度以及缠绕角度对各工况应力的影响和复合气瓶纤维层体积的影响;并分析了单个设计变量对复合材料气瓶各工况下的应力的影响。
【学位授予单位】:北京化工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TH49;TB333

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