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金属内衬的复合材料容器的强度分析

发布于:2016-02-14 19:33
强度分析

      20世纪90年代后,由于能源结构的改变和环境污染日益加重等原因,汽车工业研究的重点转向清洁能源车辆领域,开发了以天然气为燃料的汽车。随着复合材料的广泛应用,其燃料储存容器也采用了含金属内衬的复合材料缠绕容器。该容器具有重量轻、承载能力高、安全和可靠性好等优点,但该容器设计的关键是,如何合理地选择其金属内衬和复合材料缠绕层的材料和几何尺寸。
      为了提高容器的承载能力,除了采用较厚复合材料缠绕层外,还必须充分发挥金属内衬材料的塑性变形能力。为此,在容器制造过程中,一方面控制纤维缠绕的预张力,另一方面在容器固化成型后,又必须采用施加预压力工艺,使其金属内衬进人塑性,然后卸载获得合理的压缩残余应力,以减小在工作状态下金属内衬的应力,从而达到提高承载能力和疲劳寿命的目的。关于厚复合材料缠绕层的强度分析也是设计者的难点之一,目前常用的基于网络理论的解析方法和基于经典层合理论的有限元方法都不能正确描述厚复合材料缠绕层的三维力学特征。本文采用了以层合板等效刚度概念为基础的有限元法来分析厚缠绕层,这不仅能在分析中较好地考虑厚缠绕层的三维力学特征,同时又大大简化了计算过程,节省了计算资源。
      经典层合板理论是分析薄层合结构的一种有效方法理论。但对于中厚或厚层合结构来说,为了反映其横截面翘曲变形特征,经常采用以高阶位移试函数为基础的层合板高阶理论,以提高其分析精度。但是由于在高阶理论中引人了广义位移,往往导致计算和编程困难,同时这些高阶理论仍然不能真实地反映中厚或厚层合结构的三维应力和变形特征。在实际应用中,厚层合板都是按照一定次序铺设的标准层组叠合而成的,以避免结构出现翘曲变形,如果层合板的特征长度比标准层组的厚度大得多,这样就可假定忽略其每单层材料的方向性特征,而将标准层组视为一种正交各向异性材料,则整个层合板便可采用等效原则建立其等效本构关系。
      设计标准层组由N层正交各向异性复合材料单层板组成,每一层的纤维铺设方向是任意的,它的坐标系统见图所示。在标准层组内,定义以下的宏观有效应力和应变为其中,v是标准层组的体积。若假定层合板的面内尺寸是无限的,则每一标准层组内的单层板的面内应力和应变场为均匀场,设复合容器几何尺寸为金属内衬材料为35CrMo,弹性模量泊松比f,强度极限为35CrMo。应力-应变曲线,缠绕层为玻璃纤维/环氧树脂复合材料,其材料常数分别为:假设容器的内壁尺寸和总厚度保持不变,通过改变金属内衬和缠绕层的相对厚度比,讨论其对复合容器应力状态和承载能力的影响。


                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
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