考虑张力制度影响的碳纤维缠绕容器爆破性能预测与仿真插件开发

针对缠绕张力对碳纤维缠绕容器承载性能影响规律尚不明确的问题,基于ABAQUSTM软件开发了一套用户友好、自主选择性好且高效的插件工具,能够自动化完成模型建立和相关设置工作,实现了考虑多种缠绕工艺参数的容器结构精细化建模。基于该插件工具,对碳纤维缠绕容器在不同缠绕张力制度下的爆破性能进行了参数化分析,通过爆破试验验证了数值模型的有效性。对于直径为Ф155 mm和Ф474 mm的容器,90 N-80 N-60 N和200 N-180 N-160 N逐层减小的缠绕张力制度将提高容器的爆破性能;对于20 N和30 N递减张力制度,直径Ф474 mm容器的爆破压强随着内层张力的减小逐渐降低,当张力递减幅度增加时,容器的爆破压强趋于稳定,其下降幅度由16.79%减小到3.05%。此外,容器封头段与筒身段过渡区域的应变水平最高,为碳纤维缠绕容器的薄弱位置。

基于响应面法的复合材料气瓶含缺陷内胆屈曲可靠性分析

具有初始缺陷的内胆会对复合材料气瓶的服役性能造成严重危害,本文基于响应面法,提出了一种复合材料气瓶含初始缺陷内胆屈曲的可靠性分析方法。建立了铝合金6061内胆的T700/环氧复合材料气瓶的三维有限元模型,实现了复合材料气瓶内胆的收缩屈曲分析。基于响应面方法,构造了复合材料气瓶极限状态方程,并假设结构中的随机变量服从高斯分布,开展了考虑几何尺寸和凹陷尺寸变化的气瓶结构可靠性分析,结果表明,在气瓶内胆加工过程中,直筒段厚度的离散性会严重影响气瓶结构的可靠性;直筒段半径、直筒段长度、封头段半径和封头段厚度在通用加工误差内对气瓶结构的可靠性影响较小;对本文定型气瓶,当内胆表面的凹陷半径超过10 mm,且深度超过2 mm时,气瓶结构的可靠性会严重降低。

薄壁铝内衬芳纶缠绕高压气瓶的研制

本文对薄壁铝内衬芳纶纤维缠绕复合材料高压气瓶的设计、工艺制作、试验进行了研究 ,针对芳纶复合材料低层间剪切强度、易吸潮及高温条件下强度损失大的特点 ,研究一种高层间剪切强度、耐高温的树脂体系 ,并对该树脂体系的工艺进行研究 ,并进行了大量的试验验证 ,从而得出芳纶纤维缠绕金属内衬复合材料高压气瓶的设计方法和工艺制作方法。同时对金属内衬复合材料高压气瓶的疲劳和早期渗漏进行研究。

国内外复合材料气瓶发展概况与标准分析(一)

复合材料气瓶在航天、航空和民用领域都有着广泛的应用,对复合材料气瓶的研制进展和典型应用进行了简要介绍,并分析了复合材料气瓶及其成型工艺的发展趋势,综述了航天、航空和民用领域复合材料气瓶标准的发展概况,并针对我国复合气瓶标准制定面临的问题进行了分析。

碳纤维湿法缠绕基体配方及成型研究

研究了碳纤维增强复合材料用湿法成型工艺、基体配方的性能和使用期。研究的 HT1 1 A、HT1 1 B两种配方浇注体拉伸强度达到 1 0 0 MPa以上 ,模量为 3.9GPa,力学性能优良。配方具有较高的耐热性 ,使用期大于 9h,完全适用于湿法缠绕成型。缠绕的 Φ1 50 mm碳纤维增强复合材料容器特性系数 ( PV/W)均大于 34 km,纤维强度转化率 ( K)达到 82

具有金属内衬缠绕压力容器成型全过程应力场分析

基于具有金属内衬复合材料缠绕容器缠绕、固化和预超压3个制造工艺过程的特点,提出一种温度参数当量法模型和虚实单元分析策略,以模拟在缠绕预张力工艺中的力学行为.根据固化反应动力学理论和热传导理论,对具有金属内衬的复合材料纤维缠绕压力容器在固化工艺过程中瞬态温度、固化度和热应力场分布及其变化规律进行了数值分析.采用经典塑性理论为基础的非线性有限元方法,预测了预超压工艺后容器复合材料缠绕层和金属内衬内残余应力场的分布.以一典型的具有金属内衬复合材料纤维缠绕压力容器为例,讨论了在3个工艺过程中工艺参数对容器内应力场分布的影响.结果表明:适合的工艺参数能够提高压力容器的承载能力.

具有金属内衬复合材料纤维缠绕容器固化过程的数值模拟

基于固化反应动力学、热传导和复合材料层合理论,采用了有限元分析方法,对具有金属内衬的复合材料纤维缠绕压力容器在固化工艺过程中的温度和热应力分布及其变化规律进行了数值模拟。通过一典型容器数值分析,表明在固化工艺过程中,中容器内部的所有应力分量具有同时达到峰值的特征,其中应力分量的峰值出现在固化降温阶段的初期。提出了数值模拟的方法和分析结论对复合材料结构设计师和工艺师合理制订金属内衬复合材料纤维缠绕容器的工艺标准具有一定的参考价值。

国内外复合材料气瓶发展概况与标准分析(二)

复合材料气瓶在航天、航空和民用领域都有着广泛的应用,对复合材料气瓶的研制进展和典型应用进行了简要介绍,并分析了复合材料气瓶及其成型工艺的发展趋势,综述了航天、航空和民用领域复合材料气瓶标准的发展概况,并针对我国复合气瓶标准制定面临的问题进行了分析。

卫星用复合材料气瓶性能

通过对环氧树脂、NOL环力学性能、金属内衬表面性能、复合材料真空质损和复合材料气瓶性能等进行研究和分析,研制出一种用于卫星推进系统的复合材料气瓶。结果表明:该复合材料气瓶经150次疲劳试验后爆破压强为86 MPa,容器特征系数达57.7 km,且满足真空使用环境要求。

碳纤维缠绕铝内胆气瓶的有限元分析与自紧设计

碳纤维缠绕锅内胆气瓶应用广泛,由于贮气压力高,安全性特别重要。铝内胆外表缠绕碳纤维的气瓶的重量比金属气瓶轻很多,已从航天航空应用转向民用。这种气瓶的设计和制造,在我国,国家标准还没有公布,在国际上较多采用DOT CFFC标准。本文对气瓶进行深入的有限元分析,参考DOT CFFC标准来讨论气瓶的设计和自紧。如采用其他标准,做法是一样的。本文有限元分析采用ANSYS程序。

复合材料缠绕壳体结构成型和使用过程多场分析的研究进展

综述了复合材料缠绕壳体结构成型和使用过程的多场分析的国内外近代研究进展,其中包括:缠绕成型工艺,固化工艺,超压工艺,使用过程中的应力分析,低速冲击损伤等相关问题．在此基础上,着重介绍了倍受航天界所关注的含薄壁金属内衬的复合材料缠绕容器的成型工艺和低速冲击损伤一体化研究工作,并提出了该领域今后还需进一步研究的内容．

几种纤维复合材料压力容器的性能对比研究

本文对玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维三种常用的增强材料及其增强的薄壁金属内衬复合材料压力容器进行了对比研究,研究了三种纤维复合材料的特性、不同纤维增强的金属内衬压力容器的设计方法、每种纤维的工艺特性,研制出各种纤维增强的金属内衬压力容器,并进行了试验对比分析。

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。

薄壁铝内衬缠绕高压复合材料气瓶的疲劳及爆破性能研究

为研制高结构效率的复合材料气瓶,采用T700碳纤维/环氧树脂体系在薄壁铝金属内衬上缠绕成型复合气瓶,对其进行了水压自紧试验,100次0～36MPa水压疲劳试验以及水压爆破试验,并且采用声发射、应变测试等方法对试验过程进行检测。结果表明,经过水压自紧试验后复合材料气瓶具有较好的疲劳性能,100次疲劳对气瓶的损伤较少,并且经过疲劳后的气瓶爆破压强仍然达到88MPa,具有较高的结构效率。

纤维缠绕圆筒压力容器结构分析

对具有内衬的纤维缠绕圆筒压力容器进行了结构分析。将内衬作为各向同性材料、纤维缠绕圆筒作为正交异性材料处理。在内压作用下,得到了内衬和纤维缠绕圆筒的弹性应力和应变。讨论了内衬和纤维缠绕圆筒材料选取和结构设计准则,即应选取弹性模量很低、强度较高和塑性良好的材料作内衬;选取模量和强度都较高的纤维缠绕圆筒;内衬壁厚应尽可能薄,且与纤维缠绕圆筒粘接牢固。算例表明,弹性应力分析结果与测试值符合良好。

低速冲击下含金属内衬的纤维缠绕容器损伤特征

本文基于低速冲击动力学理论和复合材料层合结构损伤破坏准则,采用以不协调模式的八节点块三维有限单元法,研究了在空载和满载下含金属内衬的纤维缠绕容器在冲击下的力学行为,并预测了其冲击损伤分布。在分析中应用修正的Hertzian接触法则来计算在冲击载荷下冲击体和缠绕结构之间的接触力;在时域中采用Newm ark方法求解。通过典型数例研究结果表明,在相同能量的冲击载荷作用下,满载(内压)下的纤维缠绕容器较空载容器更易发生基体开裂和分层破坏。

具有衬里的纤维缠绕压力容器分析

给出了具有衬里的纤维缠绕压力容器纤维厚度的设计计算方法。当容器的结构一定时．给出了确定爆破压强的方法。

不锈钢内衬纤维复合材料球形高压容器研制

采用高强芳纶Ⅱ和凯芙拉-49纤维及不锈钢内衬,研制出小型球形环氧树脂基纤维复合材料压力容器。主要介绍了容器的结构材料、设计、试验方法。通过容器的密封性检验及贮存前后的液压爆破试验,结果表明,容器的设计是成功的,满足了设计使用要求。与同类钢制压力容器相比,在内径、外径、工作压力、安全系数相同情况下,该复合材料容器质量可减轻60%以上,漏率小于1×10-8Pa.m3/s,且贮存3年后爆破压力不会下降并略有提高。

纤维缠绕压力容器的样条配点解

本文按叠层旋转壳有矩理论,对纤维缠绕内压容器的应力、应变、挠度,进行了系统的分析。基于封头的精确控制方程,采用样条配点法,求得问题的半解析半数值解。针对螺旋缠绕等张力封头与平面缠绕椭球封头两类容器进行了详细的数值计算,说明该方法简便、易行、可靠。

复合材料缠绕氙气瓶研制技术

目前我国电推进技术在航天领域取得了很大的进展,具有广阔的应用前景,作为电推进技术的一项关键产品,氙气瓶为电推进技术贮存和提供燃料——氙气,除要求具备航天用气瓶的质量轻、强度高和爆破前先泄漏安全失效模式外,同时要求其具有高可靠性和长寿命特点。本文从产品性能、设计和试验等方面阐述了某复合材料氙气瓶的研制情况,提出了内衬和复合层的选材要求,对内衬结构和复合层强度进行了设计,并对氙气瓶的试验进行了描述。