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    圓柱形壓力容器纏繞工藝的有限元分析

    發布于:2023-10-07 18:55
    有限元分析

          有限元分析時氣瓶容積與內襯筒體直徑、筒身段長度的關系,內襯的直徑與筒身的長度不是隨意選取的,要考慮纖維纏繞工藝的要求。要保證纖維在芯模表面位置穩定、不打滑、不架空,這就要求螺旋纏繞的線型是測地線。根據纖維纏繞測地線方程,我們可以根據以下公式計算出纖維纏繞一周芯模所轉過的轉角θ。
         根據壓力容器長徑比要求以及車載CNG氣瓶使用約束條件,取筒身直徑范圍為260~350mm,則纖維繞氣瓶纏繞一周芯模的轉角范圍為484.96°~932.80°。通過查纖維纏繞線型表,選取2切點,芯模轉角為600°的纖維纏繞線型。將轉角代入上式可求得筒身直徑D=310mm,進而可得筒身段長度L1=858mm,氣瓶總長L=1118mm(尺寸取整)。設計出的氣瓶內襯幾何結構如下圖所示。
          對于圓柱形壓力容器,纏繞工藝的基本線型有:螺旋纏繞、環向纏繞、平面纏繞、縱向纏繞。本車載氣瓶纖維纏繞層采用螺旋纏繞和環向纏繞相結合的方式,其中封頭部分只有螺旋纏繞,筒體部分為二者相結合纏繞。
          將已知量σf=1339MPa,r0=30mm,R=155mm帶入上式,求得螺旋纏繞角度為11.15°,環向纖維厚度為9.64mm,螺旋纖維厚度為6.64mm。
          選擇合適的單元類型是正確仿真分析的前提。本文內襯選用solide95單元,復合材料層選用shell181單元。鋁合金6061和T700/環氧樹脂具體力學性能參數見表1和表2。由于氣瓶是對稱結構,所以取氣瓶的1/4結構建模,在模型內襯剖面上施加對稱約束,接嘴口外端施加軸向約束。按照DOT-CFFC標準,氣瓶內表面分別施加各種工況壓力,即工作壓強為20MPa、試驗水壓為30MPa和最小爆破壓強為68MPa。
          對于復合材料壓力容器的分析方法,鋁內襯主要是分析Mises應力是否符合設計要求,纖維纏繞層主要分析橫向、縱向和面內剪切應力是否符合設計要求。通過ANSYS仿真計算得到各工況下氣瓶內襯、纖維層的應力云圖如圖3至圖14所示。
          通過分析ANSYS仿真模擬和計算結果可得:
          (1)工作壓強下,內襯的最大VonMises應力在筒身段,最大應力為144MPa,小于鋁合金屈服極限的60%(177.6MPa),纖維層的縱向應力最大為264MPa,遠小于碳纖維/環氧樹脂材料的許用應力(1339MPa),完全滿足DOTCFFC標準對工作壓力下內襯許用應力的要求;最大位移為0.734mm(小于3mm),滿足穩定性要求;
          (2)試驗壓強下,內襯的最大VonMises應力在筒身段,內襯最大應力為216MPa,纖維層的縱向最大應力在筒身段,其應力值為396MPa,均滿足其許用應力值;最大位移為1.101mm(小于3mm),滿足穩定性要求;
          (3)爆破壓強下,內襯屈服,其最大應力為300MPa,小于內襯極限強度330MPa,纖維層縱向最大應力為1001MPa,小于纖維許用應力1339MPa;工作壓力下纖維層最大應力為264MPa,小于爆破壓力下纖維層最大應力的30%,滿足DOT-CFFC標準對纖維應力比的要求。
          本文通過對纖維纏繞車載CNG氣瓶的結構設計及其有限元分析,可得出以下結論:
          (1)依據薄膜理論和網格理論設計的氣瓶滿足DOT-CFFC標準的工程設計要求;
          (2)實現ANSYS參數化編程語言(APDL)對復合材料氣瓶的仿真分析,可大大縮短氣瓶的設計周期,節約設計成本;
          (3)有限元分析過程中,對氣瓶的仿真分析與氣瓶的實際生產工藝、受力狀態有差異,還需實驗進一步驗證,不斷完善纖維纏繞車載CNG氣瓶的結構設計。


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