基于ISO11439和ANSYS的CNG气瓶有限元应力分析五金配件

基于ISO11439和ANSYS的CNG气瓶有限元应力分析

基于ISO11439和ANSYS的CNG气瓶有限元应力分析 2011年12月09日 来源： 摘要：本文针对铝胆复合材料气瓶设计与制造过程中提出的有限元应力分析问题，根据ISO 11439标准，对若干关键技术进行了综述和研究，突出的应用成果说明了这些技术的可靠性与实用性。 1 CNG气瓶设计及其应用背景 气瓶作为一种没有固定使用地点和环境、无专职使用和操作人员的特殊压力容器，已经在国内外得到了广泛的研究和应用。突出的范例有医护领域的自救呼吸装置及数以百万计的各类公交汽车用的压缩天然气气瓶。其中，复合材料缠绕气瓶是用钢胆或铝胆作为内衬，外面用高强度纤维复合材料缠绕制成，具有良好的抗疲劳、抗晶间腐蚀性能，且有较轻、便于搬运及应用等优点。目前，发达国家已有300多万只复合材料缠绕气瓶在安全的使用着。 传统工程意义的“薄膜理论”，“网格理论”，对复合材料气瓶的设计与分析计算，已不能满足要求。气瓶作为一种特殊的压力容器，在安全性、稳定性及可靠性等性能评定方面，根据ISO 11439国际标准的要求，有严格的设计、制造、实验及性能验证的规范。 本文涉及的CNG-3型气瓶，是ISO 11439标准中其制造技术最为复杂的一种，内胆材料为铝，纤维全缠绕。目前，铝内胆的设计与制造工艺，国内外已经形成十分先进与稳定的专利技术。作者针对全缠绕的CNG-3型气瓶，进行了材料非线性有限元分析方面的探索，并充分利用ANSYS的二次开发平台，开发了适合CNG-3等类型气瓶在各种压力工况下的应力分析与性能评定的软件，从而能够准确、快速、方便地确定复合材料气瓶是否符合工程应用环节的要求。 2 对CNG-3型气瓶进行应力分析的若干关键技术 根据设计制造CNG-3型气瓶的基本实践，我们必需面对并真正解决若干关键技术问题。 2.1 ISO 11439对复合气瓶的应力分析要求 根据ISO11439国际标准，此类气瓶总体上被分为四类，即CNG-1，CNG-2，CNG-3和CNG-4。其中，CNG-1指全金属型气瓶；CNG-2指金属内衬纤维缠绕浸渍树脂型气瓶，其纤维缠绕方向只是周向单向缠绕；CNG-3也指金属内衬纤维缠绕浸渍树脂型气瓶，但其纤维缠绕方向是全方向的；CNG-4指非金属内衬纤维缠绕型气瓶，即全复合材料气瓶（如内衬为塑料材料）。 根据我们的理解，对于CNG-3，ISO设计规范的基本要求为： § 建立可用的材料非线性分析方法与流程； § 建立正确的材料非线性的弹-塑性、应力-应变模型； § 建立全缠绕状态的复合材料机械性能参数计算方法； § 建立多纤维缠绕层或不同纤维材料构成的材料本构方程与平衡方程； § 分析纤维缠绕张力作用下的预应力； § 不同压力工况的应力分析；必须进行紧缩压力、零压力、工作压力、水压试验压力、最小爆炸压力等工况下的材料非线性应力计算； § 最大的缺陷尺寸，应能确保在循环压力工况下的安全可靠性，同时可保证LBB性能（爆炸前先泄露）。 2.2 铝胆与复合材料缠绕层的组合模型 对于铝胆复合材料气瓶，其外部纤维缠绕层是由高强度增强纤维及其基体，如玻璃纤维/环氧树脂、有机纤维/环氧树脂及碳纤维/环氧树脂等缠绕而成的。因此，它们具有比强度大、比刚度高等诸多的优点。在高压下，铝胆很快进入塑性，而纤维增强复合材料还在弹性状态。实验表明，这种组合模型至少在一个材料方向上呈现出应力-应变关系的非线性。同时，石墨纤维/环氧树脂、Kevlar纤维/环氧树脂及硼纤维/环氧树脂具有相当高的剪切非线性；硼纤维/铝复合材料具有相当高的横向或剪切非线性；碳/碳复合材料在各材料主轴方向均存在着较高的非线性等。这种非线性主要是由于基体性能的非线性和在受载过程中所产生的损伤缺陷引起的，它与基体的种类、纤维的形态、复合体积比率、纤维缠绕方向及承受载荷形式有关。显然，这是一个复合材料本构关系问题，通过应力-应变的物理非线性表现出来。如何准确地描述本构关系，对于我们能否较精确地进行力学分析和结构设计是非常重要的。材料非线性是指材料本构关系的非线性。若不考虑变形对材料的影响，平衡方程简化成线性，同时应变和位移的关系也是线性的，这就是小弹塑性问题。在塑性区域内，应力和应变之间不存在弹性范围的广义虎克定律。塑性变形的过程是不可逆的，变形功部分转化为热能，最后状态的应力与变形途径有关。 2.3预应力结构与材料非线性 正确应用预应力技术，是纤维缠绕复合材料气瓶的一个显著特点，也是气瓶应力分析中的一个重要环节。预应力结构形式是在60年代由预应力钢丝缠绕结构发展起来的。随着航空航天工业的发展，以及许多部门如原子能工业中的高速离心机和导弹武器系统等对机械结构高强度、低重量和高可靠性方面提出了更高的要求，碳纤维等非金属材料缠绕式预应力结构得到快速的发展和应用。 预应力容器的基本力学特点是，内壁是其强度最薄弱之处，起关键作用的是切向拉应力，而径向压缩应力恒等于内压之负值，这是无法改变的。预应力容器的基本设计思想，就是在内壁预先建立一种切向压应力—预应力，

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