碳纖維纏繞復(fù)合氣瓶的有限元數(shù)值分析

　　　　碳纖維纏繞壓力容器是指采用連續(xù)纖維纏繞工藝成型的承受內(nèi)壓載荷的薄壁殼體。該類容器主要由鋁內(nèi)膽、碳纖維增強(qiáng)纏繞層和玻璃纖維保護(hù)纏繞層組成。由于該容器采用不同的材料制成，在載荷作用下不同材料表現(xiàn)出的應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)也不同，如在內(nèi)壓作用下，纖維纏繞層還處在彈性范圍時(shí)，金屬內(nèi)襯己進(jìn)入塑性變形區(qū)。當(dāng)復(fù)合材料高壓容器卸壓時(shí)外面的復(fù)合材料層由于彈性變形要恢復(fù)形變，而內(nèi)襯經(jīng)受塑性變形，形變不能完全恢復(fù)，因此將會(huì)產(chǎn)生變形不協(xié)調(diào)。外層復(fù)合材料卸壓收縮將會(huì)使鋁合金內(nèi)襯壓縮失穩(wěn)，內(nèi)襯將會(huì)出現(xiàn)向內(nèi)塌陷的鼓包。當(dāng)容器再次充壓時(shí)，鼓包又被壓回；卸壓后，鼓包又出現(xiàn)。如此反復(fù)地充壓、卸壓，會(huì)使內(nèi)襯在遞增疲勞作用下破壞，最終導(dǎo)致復(fù)合材料高壓容器的疲勞壽命大大降低。解決的辦法可以對(duì)氣瓶施加預(yù)緊壓力，使鋁內(nèi)膽在零內(nèi)壓下處于適當(dāng)?shù)膲簯?yīng)力狀態(tài)，碳纖維處于拉應(yīng)力的狀態(tài)，通過應(yīng)力的疊加從而降低工作壓力下內(nèi)膽的應(yīng)力水平。由此可見，在考慮預(yù)緊壓力的情況下，對(duì)碳纖維纏繞容器在內(nèi)壓作用下金屬內(nèi)襯的彈塑性大應(yīng)變及其復(fù)合層的應(yīng)力應(yīng)變分布進(jìn)行分析，是復(fù)合材料壓力容器設(shè)計(jì)和制造的重要環(huán)節(jié)。但是這些分析計(jì)算本身的復(fù)雜性決定了依靠傳統(tǒng)的解析方法難以完成，而利用有限元工具對(duì)復(fù)合材料氣瓶進(jìn)行優(yōu)化與計(jì)算是工程上普遍使用的有效方法之一。
　　　　本文以美國(guó)MSC．Software公司的通用有限元軟件MSC．Marc[51為基礎(chǔ)，采用彈塑性有限元方法對(duì)碳纖維纏繞復(fù)合氣瓶的預(yù)緊壓力及各種工況條件的應(yīng)力應(yīng)變分布進(jìn)行相應(yīng)的分析，并參考DOT CFFC標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算獲得氣瓶相應(yīng)的最佳預(yù)緊壓力及爆破壓力下纖維的強(qiáng)度轉(zhuǎn)換率。

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