具有金屬內襯的纖維纏繞壓力容器優(yōu)化設計及分析.pdf

1、復合材料有別于傳統(tǒng)材料，是由兩種以及兩種以上的材料復合而成。取各個材料之長，從而達到最優(yōu)的結構性能和強度等[1]。增強材料采用金屬和纖維纏繞復合材料，這樣不僅能使成本降低，而且其強度也超過一般的復合材料。航空中的基本結構件，工業(yè)用機械設備、海洋用的高級結構材料、車輛設計中的驅動軸和彈簧等基礎設旌使得混合纖維增強復合材料的試用機會日益增多[4]。具有金屬內襯的復合材料壓力容器以其顯著的特點越來越廣泛的在各個領域發(fā)揮著作用。
　　本文

2、主要介紹了具有金屬內襯的復合材料壓力容器，通過對復合材料壓力容器的相關知識的了解，在了解理論知識的基礎上進行研究。其中包括對其力學性能以及外層纖維纏繞特性的介紹和分析。并且針對某一特定算例的壓力容器進行軟件模擬計算，求得相應條件下的受力狀況并進行分析比較，給出合理的參數(shù)設計。最后基于遺傳算法對外層纖維的纏繞順序進行優(yōu)化，得到一組纖維性能最優(yōu)的較為理想的纖維纏繞順序。
　　本文首先運用MATLAB軟件計算了在給定內壓條件下具有金屬內

3、襯的復合材料壓力容器的外部復合層的厚度，分別比較了在不同內壓、容器半徑條件下12種不同纏繞角時厚度的變化規(guī)律。當給定的壓強，筒身半徑一定時，其環(huán)向纏繞纖維層的厚度和螺旋向纖維纏繞的厚度隨纏繞角不同發(fā)生改變，但二者的厚度之和是一定值。纖維纏繞總厚度與初始纏繞角沒有關系;隨著壓強的增大，其所要求的厚度和有所增加。并且在纏繞到一定角度的時候，將出現(xiàn)一個純的螺旋纏繞厚度;在給定的壓強和應力條件下，隨著筒身半徑的增加所需纏繞的纖維厚度也需要增加。

4、
　　其次，運用ANSYS軟件對幾種不同纏繞角度的壓力容器進行受力分析，通過對給定參數(shù)的壓力容器進行建模、劃分網格、施加約束和邊界條件及分析計算，得出幾組不同纏繞角度下的壓力容器的受力分析結果，通過比較分析幾種結果，可以看出:①八層±45°、兩層90°的纏繞形式對內襯有更好的保護作用;②其他不同纏繞角度的纏繞形式中，各層中螺旋纏繞層的軸向應力基本接近，環(huán)向應力亦基本接近;③隨著螺旋纏繞角的增大，即螺旋纏繞角從±15°到±45°變化

5、的過程中，環(huán)向應力和軸向應力差別逐漸減小，受力分配逐漸均勻;④在螺旋纏繞層纏繞角不變的情況下，環(huán)形纏繞層位于中間時金屬內襯與纖維接觸面的徑向應力大于其位于兩端的情況，環(huán)向纏繞層位于內側時徑向應力較小。
　　第三，為了獲得外層纖維纏繞順序的最佳結果，本文以筒身變形最小值為目標函數(shù)，采用遺傳算法進行優(yōu)化設計，運用MATLAB軟件對優(yōu)化程序進行編碼計算分析，計算結果表明:在不設定特定纏繞角度時，[90°2/90°2/0°2/±45°/±