發(fā)布時間：2017-09-06 11:52

  本文關(guān)鍵詞：CNG環(huán)向纏繞氣瓶纖維應力比研究

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【摘要】：CNG環(huán)向纏繞氣瓶憑借其優(yōu)越的性能,在工業(yè)和民用中得到了廣泛的應用。在CNG環(huán)向纏繞氣瓶的有限元分析中,對于建模方法的選擇,目前仍存在一定爭議。在CNG環(huán)向纏繞氣瓶的標準中,沒有對氣瓶壁厚設(shè)計方法提出具體規(guī)定,設(shè)計者在對氣瓶設(shè)計時依照的標準也不同,造成設(shè)計的氣瓶尺寸往往存在差異。CNG環(huán)向纏繞氣瓶相關(guān)標準中對纖維應力比的規(guī)定,僅從纖維斷裂方面考慮,對氣瓶纖維應力比的下限作出規(guī)定,而對纖維應力比的上限未作規(guī)定。在預緊壓力較小時,纖維應力比較大,仍能滿足標準中對纖維應力比的規(guī)定,然而較小的預緊壓力不利于約束通過預緊提高氣瓶疲勞性能。本文建立了CNG環(huán)向纏繞氣瓶的軸對稱單元模型和三維殼單元模型,通過對兩種模型的分析結(jié)果進行詳細對比,為應力分析模型的選擇提供參考建議。然后,根據(jù)不同標準體系的氣瓶設(shè)計方法,對市場上常見的四種規(guī)格(Φ279、Φ325、Φ356、Φ406)的CNG環(huán)向纏繞氣瓶進行設(shè)計,分析在不同預緊壓力下氣瓶的纖維應力比變化規(guī)律。最后,通過計算不同纖維應力比下氣瓶的疲勞循環(huán)次數(shù),根據(jù)標準中對氣瓶疲勞循環(huán)次數(shù)的規(guī)定,對CNG環(huán)向纏繞氣瓶的纖維應力比提出一個上限參考值。具體研究結(jié)果如下：(1)針對CNG環(huán)向纏繞氣瓶的有限元模型,三維殼單元模型能夠考慮纏繞角度,從而建立準確的模型；而軸對稱模型由于平面單元的法向方向不能改變,通常在建立模型時將纖維纏繞角度近似為90°。計算分析表明,當纏繞角度在90°-73°之間,軸對稱模型和三維殼單元模型在工作壓力和爆破壓力下應力分析的最大相對誤差為5%。實際生產(chǎn)中環(huán)向纏繞的纏繞角通常是85°～90°,因此可以使用軸對稱模型代替三維殼單元模型對CNG環(huán)向纏繞氣瓶進行應力分析。(2)國標(GB5099-1994)的壁厚設(shè)計公式是由中徑公式結(jié)合第一強度理論得到,ISO標準(IS09809-2010)和歐標(EN1964-2000)的設(shè)計公式則由拉美公式結(jié)合第四強度理論得出。三種設(shè)計方法得到的氣瓶尺寸不同,在相同的壓力條件下,內(nèi)膽和纖維層的應力分布也不同,造成不同的設(shè)計方法得到的氣瓶在相同壓力條件下的纖維應力比相差3.5%-30.8%,且隨著預緊壓力的增大而減小。(3)對根據(jù)不同標準體系設(shè)計的氣瓶進行疲勞分析表明,為了使氣瓶滿足標準中對于疲勞循環(huán)次數(shù)的規(guī)定,對于根據(jù)國標設(shè)計的四種規(guī)格的CNG環(huán)向纏繞氣瓶,纖維應力比分別應不超過5.07、4.75、4.87、4.73,對于根據(jù)ISO標準和歐標設(shè)計的四種規(guī)的CNG環(huán)向纏繞氣瓶,纖維應力比分別應不超過3.73、3.23、3.17、3.17。
【關(guān)鍵詞】：環(huán)向纏繞 氣瓶 標準 疲勞 纖維應力比
【學位授予單位】：大連理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TH49
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 引言9-10
• 1 文獻綜述10-23
• 1.1 CNG氣瓶用復合材料及纏繞工藝10-11
• 1.2 CNG氣瓶11-14
• 1.2.1 CNG氣瓶結(jié)構(gòu)及分類11-14
• 1.2.2 CNG氣瓶使用中存在的問題14
• 1.3 CNG環(huán)向纏繞氣瓶相關(guān)標準14-17
• 1.3.1 CNG環(huán)向纏繞氣瓶國內(nèi)外標準介紹15-16
• 1.3.2 CNG環(huán)向纏繞氣瓶標準中存在的問題16-17
• 1.4 CNG氣瓶損傷研究17-21
• 1.4.1 CNG氣瓶結(jié)構(gòu)應力分析17-18
• 1.4.2 CNG氣瓶過載損傷分析18-20
• 1.4.3 CNG氣瓶疲勞損傷研究20-21
• 1.5 本文研究內(nèi)容21-23
• 2 CNG環(huán)向纏繞氣瓶模型驗證23-37
• 2.1 軸對稱模型和三維模型對比23-31
• 2.1.1 有限元模型建立23-24
• 2.1.2 分析結(jié)果討論24-31
• 2.2 CNG環(huán)向纏繞氣瓶爆破壓力預測31-36
• 2.2.1 CNG環(huán)向纏繞氣瓶漸進損傷分析流程31-33
• 2.2.2 CNG環(huán)向纏繞氣瓶過載損傷分析33-36
• 2.2.3 爆破壓力分析36
• 2.3 本章小結(jié)36-37
• 3 CNG環(huán)向纏繞氣瓶設(shè)計37-46
• 3.1 CNG環(huán)向纏繞氣瓶內(nèi)膽設(shè)計37-41
• 3.1.1 鋼質(zhì)無縫氣瓶國內(nèi)外設(shè)計標準37
• 3.1.2 國內(nèi)外標準設(shè)計方法對比37-41
• 3.2 CNG環(huán)向纏繞氣瓶纖維層設(shè)計41
• 3.3 氣瓶尺寸設(shè)計41-45
• 3.3.1 設(shè)計參數(shù)42
• 3.3.2 內(nèi)膽設(shè)計計算42-44
• 3.3.3 纏繞層設(shè)計計算44
• 3.3.4 設(shè)計結(jié)果對比44-45
• 3.4 本章小結(jié)45-46
• 4 CNG環(huán)向纏繞氣瓶纖維應力比分析46-71
• 4.1 纖維應力比46-50
• 4.1.1 材料的彈塑性46-48
• 4.1.2 纖維應力比對CNG環(huán)向纏繞氣瓶性能的影響48-49
• 4.1.3 纖維應力比的規(guī)定49-50
• 4.2 CNG環(huán)向纏繞氣瓶纖維基體損傷探索50-58
• 4.2.1 基體損傷分析方法50-51
• 4.2.2 不同纖維應力比下CNG環(huán)向纏繞氣瓶應力分析51-55
• 4.2.3 基于基體損傷的纖維應力比選取55-58
• 4.3 CNG環(huán)向纏繞氣瓶疲勞損傷分析58-70
• 4.3.1 疲勞損傷分析方法59-66
• 4.3.2 不同纖維應力比下CNG環(huán)向纏繞氣瓶疲勞性能分析66-68
• 4.3.3 基于疲勞破壞的纖維應力比選取68-70
• 4.4 本章小結(jié)70-71
• 5 結(jié)論與展望71-73
• 5.1 研究總結(jié)71
• 5.2 研究展望71-73
• 參考文獻73-76
• 致謝76-77

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