复合材料高压气瓶的碳纤维缠绕设计和ANSYS分析技术

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为了获得复合材料气瓶合理的有限元分析模型,并能够有效地掌握气瓶固有的变化规律,以不锈钢316L为内衬、碳纤维(T1000GB)/环氧树脂(BA202)为复合层的高压气瓶作为研究对象,介绍了一种采用螺旋缠绕与环向缠绕组合线型的缠绕设计方法。利用该方法确定复合层厚度、缠绕角、缠绕层数等参数,运用ANSYS程序,采用薄壁壳单元shell91建立了复合层多层结构模型,得出了气瓶应力、应变分布规律,并给出了气瓶疲劳破坏点和起裂点处失效参数的变化历程,最后,将ANSYS计算结果与试验实测结果作了比对分析,为定量化研究复合材料气瓶提供准确的数据支持。研究结果表明:ANSYS数值仿真结果与试验结果吻合良好,采用壳单元shell91可以比较正确地模拟复合层的多层结构;柱形复合材料气瓶破坏薄弱点位于筒体(靠封头)部位,气瓶受环向膨胀力影响较大,易使其沿纵向撕裂;随瓶内压力升高,薄壁内衬发生完全塑性变形,复合层仅发生弹性变形。 In order to obtain a reasonable finite element model of composite gas cylinder and to effectively know the variation regularity of the gas cylinder, a high pressure gas cylinder with stainless steel 316L as lining, carbon fiber (T1000GB) / epoxy (BA202) as composite layer As a research object, a winding design method based on a combination of a spiral winding and a toroidal winding is introduced. The composite layer thickness, winding angle, number of wound layers and other parameters were determined by this method. The composite multi-layer model was established by using ANSYS program and thin shell element shell91. The stress and strain distribution rules of the cylinder were obtained. Finally, the ANSYS calculation results were compared with the experimental results to provide accurate data support for the quantitative research of composite gas cylinders. The results show that the ANSYS numerical simulation is in good agreement with the experimental results. Shell91 shell91 can simulate the multi-layer structure of the composite layer more accurately. The weak point of cylindrical composite cylinder damage is located in the cylinder (by the head) The bottle is greatly influenced by the annular expansion force, which is easy to tear in the longitudinal direction. With the pressure inside the bottle increasing, the plastic deformation of the thin-wall inner liner occurs and the composite layer only undergoes elastic deformation.
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