Experimental and numerical study of hypervelocity impact damage on composite overwrapped pressure vessels

Ground-based tests are important for studying hypervelocity impact(HVI)damage to spacecraft pressure vessels in the orbital debris environment.We analyzed the damage to composite overwrapped pressure vessels(COPVs)in the HVI tests and classified the damage into non-catastrophic damage and catastrophic damage.We proposed a numerical simulation method to further study non-catastrophic damage and revealed the characteristics and mechanisms of non-catastrophic damage affected by impact conditions and internal pressures.The fragments of the catastrophically damaged COPVs were collected after the tests.The crack distribution and propagation process of the catastrophic ruptures of the COPVs were analyzed.Our findings contribute to understanding the damage characteristics and mechanisms of COPVs by HVIs.

碳纤维缠绕复合气瓶自紧力和疲劳的数值模拟

采用数值模拟方法研究了自紧工艺对碳纤维缠绕复合气瓶的应力分布和疲劳性能的影响。基于ANSYS商用有限元分析软件,考虑气瓶封头部分碳纤维缠绕层的角度和厚度沿封头子午线的连续变化,建立了有限元模型。分析验证了54 MPa自紧压力对复合气瓶零压和35 MPa工作压力下内衬和复合材料缠绕层应力的影响,并利用Coffin-Manson公式预测了复合气瓶的疲劳寿命。结果表明,自紧后复合气瓶内衬在工作压力下的最大应力减小了29.1%。有限元计算的疲劳寿命结果与实验测定结果之间的误差<8%,验证了有限元模型和计算方法的正确性。

复合材料高压气瓶的碳纤维缠绕设计和ANSYS分析技术

为了获得复合材料气瓶合理的有限元分析模型,并能够有效地掌握气瓶固有的变化规律,以不锈钢316L为内衬、碳纤维(T1000GB)/环氧树脂(BA202)为复合层的高压气瓶作为研究对象,介绍了一种采用螺旋缠绕与环向缠绕组合线型的缠绕设计方法。利用该方法确定复合层厚度、缠绕角、缠绕层数等参数,运用ANSYS程序,采用薄壁壳单元shell91建立了复合层多层结构模型,得出了气瓶应力、应变分布规律,并给出了气瓶疲劳破坏点和起裂点处失效参数的变化历程,最后,将ANSYS计算结果与试验实测结果作了比对分析,为定量化研究复合材料气瓶提供准确的数据支持。研究结果表明:ANSYS数值仿真结果与试验结果吻合良好,采用壳单元shell91可以比较正确地模拟复合层的多层结构;柱形复合材料气瓶破坏薄弱点位于筒体(靠封头)部位,气瓶受环向膨胀力影响较大,易使其沿纵向撕裂;随瓶内压力升高,薄壁内衬发生完全塑性变形,复合层仅发生弹性变形。

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。

复合材料气瓶有限元分析与爆破压力预测

利用ANSYS大型有限元程序建立了复合材料气瓶的有限元模型,建模中将纤维缠绕层作为复合材料层合板处理,考虑了封头处缠绕层厚度及缠绕角沿子午线不断变化的情况。针对建立的模型进行了气瓶在几个工况点下的变形分析,利用最大应变准则预测了气瓶的爆破压力。通过分析结果与相应试验结果对比,验证了建模与分析方法的正确性。

纤维缠绕复合材料气瓶内衬的屈曲分析

为深入了解纤维缠绕复合材料气瓶的内衬屈曲情况,基于ANSYS有限元软件,运用数值模拟方法对纤维缠绕复合材料气瓶的金属内衬结构进行屈曲分析,建立了复合气瓶内衬结构的有限元模型,采用特征值法分析得出内衬1~10阶的屈曲模态,并利用非线性稳定法绘出内衬位移量随外压变化曲线.结果表明,计算得到的内衬临界失稳外压为0.199 MPa,与复合气瓶内衬外压试验结果相符合,证实了本文对于复合气瓶内衬屈曲分析的可靠性.

复合材料气瓶的有限元建模与屈曲分析

复合材料气瓶在空间系统中逐渐取代全金属气瓶而得到越来越广泛的应用。利用ANSYS大型有限元程序建立复合材料气瓶及其内衬的有限元模型,建模中将纤维缠绕层作为复合材料层合板处理,考虑了封头处缠绕层厚度及缠绕角沿子午线不断变化的情况。建立了气瓶整体结构的特征值屈曲分析与非线性屈曲分析有限元方程,并分别进行了气瓶整体结构和内衬的外压失稳(屈曲)分析计算,得出了气瓶整体结构及内衬的屈曲模态形状和临界外压。

复合材料缠绕压力容器冲击损伤分析

基于复合材料经典层合板理论和冲击动力学理论,采用Chang-Chang损伤准则对受低速冲击后的复合材料缠绕层进行损伤判定,并进行相应的刚度折减,分析复合材料纤维缠绕压力容器在冲击载荷作用下的动态响应和损伤状况。结合动力松弛法分析冲击能量对不同工作压力下复合材料缠绕压力容器抗冲击性能的影响,并对压力容器不同部位的抗冲击敏感性进行了相应研究,预测出压力容器的缠绕层损伤特征和最不利的冲击位置。

复合材料气瓶有限元应力应变分析

本文利用ANSYS大型有限元程序建立了复合材料气瓶(金属内衬)的有限元模型,建模中将纤维缠绕层作为复合材料层合板处理,考虑了封头处缠绕层厚度及缠绕角沿子午线不断变化的情况。针对建立的模型进行了气瓶在几个工况点下的变形分析,通过在30MPa压力4、5MPa压力下的位移分析和试验测量对比,分析和试验结果分别为6.25MPa和5.86MPa、8.48MPa和7.69MPa,误差分别为9.3%、9.0%,均在10%以内。利用最大应变准则预测了气瓶的爆破压力约为66MPa。两次爆破试验中,测得的爆破压力分别为65MPa和68MPa。结果表明,建模与分析方法是正确的。

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。

卫星用复合材料压力容器力学特性研究

为了研究航天复合材料压力容器内衬与复合材料双层壳体的力学特性,通过优化复合材料网格理论算法,针对钛合金内衬(TC4)/碳纤维(T1000GB)缠绕柱形复合材料压力容器进行了应力应变特性分析。以纤维预紧应力为自变量,研究其对内衬/纤维双层壳体在预紧压力、工作压力、验证压力和爆破压力下应力的影响,提出了优化设计的解析解法,指出内衬与复合层力学特性对容器性能的影响机理,为结构设计和同类产品设计提供了计算方法和理论指导。

复合材料产品设计和开发中的工艺设计和控制

工艺设计是采用先进的工艺设计方案、科学合理、经济可行地实现产品的设计意图。而工艺设计的控制是确保工艺设计可以达到规定目标的适宜性,充分性和有效性的的重要保障,从而使工艺设计能够完全、正确、统一、协调。本文结合复合材料气瓶阐述了复合材料产品设计和开发中的工艺设计程序及控制内容。

复合材料缠绕压力容器的失效风险分析

压力容器的可靠性和安全性将直接影响到空间系统或导弹使命的成败。分析了可能导致复合材料缠绕压力容器失效的危险因素,详细介绍了应力断裂、撞击损伤、内衬泄漏等危险因素的分析和预测方法,并给出了某复合材料缠绕压力容器的失效风险分析结果。

航天器用大型复合材料贮箱研制技术

推进剂贮箱是卫星、飞船推进分系统,用于贮存推进剂的关键平台载荷,为提高航天推进系统与单机整体性能,追踪国外发展趋势,进行了国内外文献调研与分析。针对航天大型复合材料贮箱研制技术,分别从材料选择、结构设计、可靠性设计、制造工艺、鉴定试验与产品标准等方面阐述了技术重点内容。推进剂贮箱技术是设计、材料、工艺、试验等技术的集成技术,随着技术水平提升,推进剂贮箱综合性能也在不断提高。航天推进剂贮箱向复合材料结构、低温贮存、轻重量、高强度、高可靠性、高安全性、长寿命、环境适应性强等方向发展。

低温复合材料气瓶爆破压力的有限元分析与试验研究

基于ANSYS软件建立了低温复合材料气瓶爆破压力分析的有限元模型,通过缠绕层纤维损伤情况及内衬应力、应变和位移变化情况分析,对所研制气瓶80 K温度下的爆破压力进行了预测。搭建了复合材料气瓶的低温爆破试验装置,开展了所研制气瓶液氮温区下的爆破试验。研究结果表明,所研制低温复合材料气瓶80 K温度下爆破压力的有限元计算值和试验值分别为78 MPa和71.28 MPa,误差为9.4%,说明了该低温复合材料气瓶爆破压力有限元分析方法的合理性。

充氢工艺对复合材料储氢气瓶残余应力的影响

温升是复合材料储氢气瓶充氢过程中十分重要的问题,由于温度场的不均匀和材料热膨胀系数的不同,热机械耦合效应必然存在。为了研究复合材料气瓶充氢时的热机械耦合效应,该文提出了流-热-固耦合分析方法。该方法先建立复合材料气瓶充氢过程的computational fluid dynamics(CFD)分析模型,采用该模型分析充氢过程气瓶的温度分布;再建立复合材料气瓶的热-机械耦合分析模型,将CFD模型获得的温度场输入到热机械耦合模型中,并施加位移和载荷边界条件,分析热-机械耦合效应,通过解析解和试验数据验证方法的可靠性和准确性。采用该方法研究充氢速率、充氢口位置和气瓶几何尺寸对温度场、应力场的影响,该文获得的结果将为复合材料储氢气瓶的设计和充氢工艺优化提供技术支持。

宇航COPV缠绕复合材料结构设计的技术研究

分析了宇航复合材料压力容器技术指标的特点和确定方法,初步探讨了圆柱形、球形、近球形、椭球形、环形、锥形容器纤维缠绕复合材料壳体的结构特点,COPV作为宇航系统中的关键部件,其研制技术(如COPV结构效率)将直接决定其性能,对宇航系统有很大的影响。本文对宇航复合材料压力容器的发展趋势进行了分析。

含金属内衬的复合材料缠绕薄壁容器自紧设计的工程方法

基于薄壁容器理论及卸载后容器内衬残余应变为零的假设,提出了一种含金属内衬的复合材料缠绕薄壁容器自紧设计的工程方法,在自紧压力预测中可分别考虑金属内衬的双线性随动和等向强化特征。通过与有限元分析结果比较,证明了本文中提出的自紧设计方法的简便性和有效性。以一典型容器为例,研究了在自紧工艺后内衬的残余应变场和工作压力时应力场分布,证明了采用本文中提出的自紧设计可明显提高容器的承载能力。

自紧工艺对复合材料压力容器金属内衬断裂强度的影响

基于压力容器自紧前后金属内衬的应力分析,利用子模型方法建立了含内衬表面圆裂纹的有限元模型,使用区域积分法计算了其在工作压力下裂纹前缘的J积分值,研究是否采用自紧工艺和不同自紧压力值情况下的裂纹尖端强度。结果表明:经过自紧工艺处理后裂纹前缘的J积分值将明显提高,且随自紧压力值的增大而增大;随着裂纹尺寸的增大,相应的J积分值也增大,并且沿裂纹前缘的J积分曲线变陡。由此说明自紧工艺压力值的提高和裂纹尺寸的增加均增大了内衬开裂的风险,因此复合材料缠绕压力容器自紧工艺压力值的确定需进行金属内衬的断裂分析。

一种无焊缝连接金属内衬复合材料压力容器的制备工艺及其液压实验

纤维缠绕复合材料压力容器(COPV)由于其轻质高强及先漏后爆等特性在航空航天、路面交通和石油化工等领域得到广泛应用。基于纤维缠绕工艺的特点,提出了一种新型无焊缝连接金属内衬COPV结构及其制备工艺。并通过缠绕工艺及在封头直边设置密封槽,解决了内衬的封头与筒体之间的连续性和密封性问题。基于该结构的特点,一种辅助成型工装被发明,成功实现了这种新型内衬结构的缠绕成型问题。之后,通过液压试验验证了该结构的可行性,该新型容器能够承受110 MPa的爆破设计压力。进一步对容器剖面进行宏观分析,获得了该结构的三种损伤模式。最后,基于Chang-Chang失效准则及层间内聚力失效模型,通过编写用户子程序VUMAT建立了该新型结构的有限元计算模型,确定了分层损伤为该结构的主要损伤模式及位于封头与筒身过渡区的纤维拉伸断裂为该结构的主要失效模式。