机械设计理论的发展与新材料的发明和应用有紧密的关系,研究新材料在机械中的应用是当今机械设计理论的一个重要内容。复合材料CNG(Compressed Natural Gas)气瓶是先通过拉伸、旋压等工艺制成铝胆,并在铝胆外采用高强度纤维缠绕,国外已经用它来取代钢制气瓶,近年来,我国也在对复合材料气瓶进行研制,并逐步推广使用。本文的研究工作是北京市自然科学基金资助项目(No.2012007)的一部分,旨在研究纤维缠绕复合材料CNG气瓶的力学性能,结合实验,并综合运用有限元分析方法建立复合材料壳体模型,从而建立了一套适用于所有复合材料气瓶力学性能分析的计算方法。 本文首先从气瓶的壳体理论分析入手,分析了气瓶的弹性力学几何方程、气瓶的内力以及无矩理论解,从而为接下来的力学性能分析奠定了理论基础。 本文使用非电量电测法分别对复合材料CNG气瓶和内衬铝胆的应变进行测试,并得出其应变分布曲线。从实验结果中可以看出复合材料CNG气瓶在压力加载下的轴向应变和环向应变主要发生在筒身部分,具有较好的对称性,而且较为均匀,在封头和过渡区域的应变比较小。通过实验数据反应出来的规律,对复合材料CNG气瓶的结构及其力学性能有了较完整的定性和定量分析,为有限元分析计算中选择线性的复合材料本构关系提供了可靠的依据。 本文分别对复合材料CNG气瓶及其铝胆进行建模和分析计算。通过对其内衬铝胆的建模及其分析计算,得出铝胆的工作应力水平是影响复合材料CNG气瓶工作性能的关键因素之一。在使用美国ANSYS公司开发的有限元分析软件对复合材料CNG气瓶建模的过程中,采用壳体单元shell99成功的实现了复合材料六层壳体结构的建模,并能体现其较为复杂的缠绕角度;同时,用温度等效法实现了预紧力在ANSYS分析计算中的添加。通过预紧压力处理,实现了在零内压条件下,复合材料CNG气瓶的内衬铝胆处于其压缩屈服极限应力的60～95%理想应力范围;且预紧压力处理后,显著降低了工作压力条件下气瓶内衬铝胆的应力水平,其最大Von-Mises应力由159.5 MPa下降到80.6 MPa。通过分析计算得出复合材料层和预紧力的处理对内衬铝胆的承受能力所产生的影响,从而实现了提高疲劳寿命的目的,为复合材料CNG气瓶的优化设计提供了可行的计算方法和理论依据。 本文最后参考以往复合材料相关资料,对复合材料CNG气瓶的设计及破坏机理分析进行了探讨。