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纤维缠绕压力容器结构的有限元分析

发布于:2016-04-19 21:52
有限元分析

      为降低航天器研制和发射所需的高额费用,空间系统压力容器设计和制造技术得到了极大的发展。纤维缠绕压力容器因其质量轻、研制费用低和安全性好而逐渐取代全金属压力容器,明显提高了空间系统压力容器的可靠性、安全性、承载能力、储存寿命和循环寿命,大大减小了高压气体和液体储存容器的质量。目前,碳纤维铝内衬圆柱形容器的性能已比最好的金属容器高出50%以上。除低成本高强度纤维树脂缠绕技术外,设计优化技术的发展是导致如此结果的一个主要因素,而可靠的分析方法则是保证设计优化成功的技术关键。作为目前最可靠的数值分析技术,有限元分析FEA对提高纤维缠绕压力容器的设计水平、改善产品性能、缩短研制周期、节约研制费用和保证使用安全,都具有十分重要的意义。
      为此,本研究对纤维缠绕压力容器结构FEA的过程、可行性、适应性、可靠性、能力、效率和费用等方面进行了分析。
      用纤维缠绕方法制成的压力容器是展现纤维增强复合材料优点的一个理想实例,其典型设计包括柱形、球形、近球形、锥形和环形等构型,其中以圆柱形容器最为常见,如图所示。
      纤维缠绕压力容器的设计必须考虑纤维树脂结构的强度和变形特性,需要根据空间应用、结构质量、压力和服务年限等要求选取合适的静压,确定最佳的容器构型,设计最优的结构。实际上,不适当地增加材料用量可能会降低结构的承载能力,这是纤维缠绕压力容器较为独特之处。因为压力容器的几何特性和壳体的刚度参数相互影响,额外的纤维缠绕层会使壳体的刚度分布发生改变,迫使壳体在形状上作出相应的改变。但壳体的几何特性受缠绕芯模(或金属内衬)支配,且缠绕芯模的形状不经重新加工就不能改变,所以应避免不恰当地增加纤维缠绕层。
      此外,柱形压力容器封头形状的设计也非常关键。封头形状与纤维角相互作用,在接近柱面直线段的封头区域容易产生严重的应力集中,使封头区域承受最高的应力,进而成为最临界的结构破坏位置。
      由钢、铝等各向同性材料制成的传统柱形压力容器,采用椭圆形封头以减少结构内的临界应力。随着正交各向异性纤维增强材料的出现,发现理想的封头是具有等张力的形状,如图所示。
      就纤维缠绕压力容器所希翼的尺寸和载荷而言,这些结果突出了纤维缠绕层剪裁技术即优化设计的重要性。FEA是目前最可靠和最通用的数值分析技术,用它设计纤维缠绕压力容器的结构,必将提高设计水平、改善产品性能、缩短研制周期、节约研制费用和保证使用安全,进而带来巨大的经济效益和社会效益。


                                                                                  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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