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CFRP缠绕压力容器可靠性研究

沈军  
【摘要】: 碳纤维复合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastics,CFRP)具有比强度比模量高、耐高温抗腐蚀等优异性能,在航空航天、海洋军工(如各类战略战术导弹发动机壳体)与民用各领域具有重要和广泛的应用。本研究针对目前CFRP缠绕压力容器采用安全系数法设计不能解决随机性问题,对结构功能的重要影响因素没有科学量化,经济性低等弊端,进行了CFRP缠绕压力容器在缠绕工艺过程中和内压作用下的可靠性研究。 制备了碳纤维单向板、碳纤维缠绕NOL环、碳纤维缠绕压力容器,进行了各项力学性能试验与水压爆破试验。对CFRP缠绕压力容器各重要设计变量(单向板弹性常数及其强度、压力容器缠绕工艺参数及几何尺寸)的随机统计特征进行了试验研究,并根据Kolmogorov-Smirnov检验法,获得各设计随机变量的最优概率统计分布。根据结构系统可靠性理论和复合材料结构力学理论,建立了CFRP缠绕压力容器可靠性分析的极限状态方程。在试验基础上,编制了基于MATLAB的Monte Carlo数值模拟软件,实现了CFRP缠绕压力容器可靠性分析与设计。完成压力容器在刚度衰退模式下的失效载荷与失效概率分布,以及各项重要随机变量对失效概率分布影响规律的数值模拟。模拟结果与试验结果基本吻合。 在试验基础上,推导出CFRP压力容器的“可靠性安全系数”。它既具可靠性设计的科学性,又具有安全系数设计的方便性。鉴于目前工程上还应用网格理论进行复合材料压力容器的结构设计,本文完成了基于网格理论的CFRP缠绕压力容器可靠性设计。理论计算结果与试验结果基本吻合。 CFRP缠绕压力容器成型工艺过程(包括固化制度与缠绕张力制度)控制对制品性能的随机分布影响极为重大,是其不同于金属的独具特点之一。本文采用碳纤维缠绕NOL环(试件),运用人工神经网络结合遗传算法,对固化制度与缠绕张力制度进行了优化,将工艺过程影响引入CFRP缠绕压力容器可靠性设计中。 此外,为确定复合材料强度准则的适用性,本文将应用最广泛的最大应力准则和Tsai-Wu准则,对三种高性能复合材料:T700/E51、E-glass/Epoxy和Kevlar 49/Epoxy制成的单向板和正交铺设层合板的适用性进行了试验与对比分


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