金属内衬纤维缠绕复合材料压力容器强度分析.pdf

浙江大学化学工程与生物工程学系
硕士学位论文
金属内衬纤维缠绕复合材料压力容器强度分析
姓名:杨帆
申请学位级别:硕士
专业:化工过程机械
指导教师:郑传祥
20100127
摘要纤维缠绕复合材料压力容器通常由金属内衬和外层缠绕的高强度纤维增强复合材料组成。该复合压力容器以其质量轻、强度高和安全可靠等优点已经广泛应用于航空航天、军事及工业领域。在应用范围增广的同时,应当着重研究其基础方面,尤其是带金属内衬复合压力容器的受力状态的数值模拟分析。过去广泛深入地研究各向同性材料的压力容器,而复合材料压力容器有着与他们本质的不同一一各向异性。并且具有金属内衬碳纤维缠绕的压力容器结构相比传统结构相当复杂,特别是在封头部分的缠绕。纤维缠绕复合材料压力容器封头部分沿其子午线方向其厚度在不断变化,且任意点的缠绕角度也各不相同。本文参阅大量文献,研究了具有金属内衬碳纤维缠绕复合容器的结构和制造工艺,并且研究了关于它的经典的力学分析。在此基础上,根据缠绕工艺的实际情况,深入分析复合容器的纤维缠绕特别是封头部分的缠绕,提出了在该类复合容器的每个法向横截面纤维束的通过数相等,利用、疎等软件结合实例最终建立此类复合容器特别是其封头部分的几何模型。合理假设此类复合容器环向对称,封头部分纤维缠绕层与筒身的纵向缠绕纤维层连续以及各纤维层之间没有相对滑动,且缠绕时没有缝隙等,简化了有限元计算模型。结合工程实例,计算了单向纤维增强复合材料工程常数,探讨了各向异性材料的有限元问题。并且利用砑允道辛四D饧扑悖诖斯讨校岢隽封头部分缠绕角度不同的处理方法。最后,对模拟的实际容器进行了水压试验和爆破试验。爆破试验结果是在容器中部发生爆破,而有限元计算的结果也是在容器中部环向的一周应力最大,故爆破试验证明模型建立是合理的。关键词:复合材料,压力容器,封头,有限元,强度浙江大学硕十学位论文
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导师豁智俐气签字瞰州。年砂月签字日期:加‘瓴卧隆日学位论文作者签名:辛汤中学位论文作者签名:杨中乞旯日浙江大学研究生学位论文独创性声明签字日期:劭学位论文版权使用授权书果,也不包含为获得逝望盘鲎或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一逝姿盘鲎论文的复印件和磁盘,允许论文被查阅和借阅。本人授权迸姿盘茔可以将学位论文的本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。本学位论文作者完全了解全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。C艿难宦畚脑诮饷芎笫视帽臼谌ㄊ有权保留并向国家有关部门或机构送交本
致谢首先,感谢爸爸妈妈二十多年来对我的培养和教育。您们辛苦了感谢尊敬的导师郑传祥教授。老师不仅在学习和科研方面悉心教导,在生活上也给予很大帮助,让我度过了丰富多彩的研究生生活。还要感谢和蔼可亲的顾金初教授,顾老师很慈祥,经验丰富,在科研过程中也教会了我很多。还要感谢刘鹏飞老师的耐心指导。另外,在课题研究过程中得到了何庆、蒋庆磊、李强、余雏麟等同学的无私帮助,从他们那里,学到了很多自己欠缺的知识,在此表示衷心的感谢挂8行换欣鲜屯绞倍晕业墓匦最后,再感谢自认为和它很有缘的美丽的浙江大学浙江大学杨帆
髀课题研究的背景和意义而满足各种不同的使用要求。复合材料是由基体和增强材料两个部分组成。非金压力容器是指能承受一定压力,具有潜在危险的设备。压力容器的使用范围广、数量多、工作条件复杂,发生事故所造成的危害程度各不相同。危害程度与多种因素有关,如设计压力、设计温度、介质危害性、材料力学性能等。危害程度愈高,压力容器材料、设计、制造、检验、使用和管理的要求也愈高。决定压力容器安全性的内在因素是材料的状态和性能。用于制造压力容器的材料需要满足韧性、塑性、与介质相容性、可制造性、机械强度等要求。目前,国内压力容器制造大多采用钢材,主要有碳素钢、低合金钢与高合金钢。钢材的综合性能存在诸多局限性,限制了压力容器的设计制造。但是随着工业飞速发展,对压力容器技术方面的要求不断提高,迫切希望压力容器能在更复杂、更苛刻的条件下具有更突出的性能,特别是随着航空航天领域以及火箭发射技术的发展和高压储氢技术的发展。恰逢工业用材种类的增多和综合性能的迅速完善,用于制造压力容器的材料有了重大突破一一复合材料。⒄埂】复合材料是由两种或两种以上不同材料组合而成的工程材料;每种组成材料在性能上取长补短,