低温复合材料气瓶爆破压力的有限元分析与试验研究

结构·设计某型复合材料气瓶优化设计李小明,邱桂杰,刘锦霞(北京玻璃钢研究设计院,北京102101)摘　要　本文采用APD L 语言进行某型复合材料气瓶优化设计,优化后的气瓶性能有较大提高,另外分析了铺层顺序对气瓶性能的影响。

关键词　复合材料;压力容器;有限元;优化设计Optimum Design of A Composite Pressure V esselLI X iao -ming ,QI U G ui -jie ,LI U Jin -xia(Beijing FRP Research &Design Institute ,Beijing 102101)A BSTRACT T his article discusses optimum design of a com posite pressure vessel w ith AP D L language and the per formance of pressure vessel can be im proved a fter optimum design.In addition ,the e ffect of ply stacking sequence on the per formance is analy zed.KEY WORDS C om posites ;Pressure vessel ;FE M;Optimum design1　前　言工业产品从设计到加工的过程中,单凭经验和反复的采用实物试验验证的传统制造方法,已经远远不能适应降低制造成本、减少设计和生产周期、快速适应市场变化和增强市场竞争力的需要了。

随着科学技术的发展,虚拟制造、虚拟实验使得在实际的产品制造之前就能发现产品在使用和制造中可能存在的问题,提高了产品质量,降低了工业产品的设计与试制的成本。

与传统材料相比,复合材料具有可设计性,复合材料结构的多层次性为复合材料及其结构设计带来了极大的灵活性,复合材料的力学性能和机械性能,都可按照结构的使用要求和环境条件要求,通过组分材料的选择匹配、铺层设计及界面控制等材料设计手段,最大限度的达到预期目的,以满足产品的使用性能。

复合材料气瓶冲击力学性能分析近年来，随着工业和科技的不断发展，复合材料气瓶作为储存和运输压缩气体的重要设备，在航空航天、汽车制造、能源等领域得到了广泛应用。

然而，在使用过程中，复合材料气瓶可能会受到外界冲击而发生破裂或爆炸，给人身安全和财产造成严重威胁。

因此，对复合材料气瓶的冲击力学性能进行分析和研究具有重要意义。

首先，复合材料气瓶的冲击力学性能与其材料特性密切相关。

复合材料是由两种或两种以上的材料组合而成，具有良好的强度和刚度。

与传统金属材料相比，复合材料具有更高的比强度和比刚度，能够承受较大的冲击负荷。

此外，复合材料还具有优良的耐腐蚀性和疲劳寿命，能够在恶劣环境下长时间使用。

其次，复合材料气瓶的冲击力学性能还与其结构设计密切相关。

合理的结构设计可以提高气瓶的冲击承载能力和抗冲击性能。

例如，采用分层叠加或纤维增强等设计手段，可以增加复合材料气瓶的抗冲击性能和耐久性。

同时，通过优化气瓶的壁厚和强度分布，可以减轻气瓶的自重，提高其携带和使用的便利性。

此外，复合材料气瓶的冲击力学性能与冲击载荷的类型和强度密切相关。

冲击载荷可以分为静态冲击和动态冲击两种类型。

静态冲击是指气瓶在静止状态下受到的冲击载荷，动态冲击是指气瓶在运动状态下受到的冲击载荷。

不同类型和强度的冲击载荷对复合材料气瓶的冲击破坏机理和性能表现会产生不同的影响。

综上所述，复合材料气瓶的冲击力学性能分析是确保其安全可靠运行的重要环节。

通过研究复合材料气瓶的材料特性、结构设计和冲击载荷等因素，可以优化气瓶的设计和制造工艺，提高其抗冲击性能和耐久性。

这将为复合材料气瓶在各个领域的应用提供可靠的保障，推动相关行业的发展和进步。

可重复使用复合材料气瓶设计及试验验证王恺;吴茜;汪文博;满满;许光【摘要】为了适应未来重复使用运载器更高的重复使用性能要求,设计了一种航天用轻质高压可重复使用复合材料气瓶,采用金属内胆/复合材料层结构形式.复合材料采用T700碳纤维复合材料,金属内衬采用铝合金.采用有限元仿真和试验验证的方法对气瓶的强度和重复使用性能进行了分析和验证,其仿真爆破强度为81MPa,试验爆破强度84 MPa,仿真与试验疲劳失效次数均大于1 200次.结果表明,所设计的重复使用复合材料气瓶满足23 MPa工作压力重复使用300次要求.【期刊名称】《宇航材料工艺》【年(卷),期】2018(048)006【总页数】5页(P16-20)【关键词】重复使用;复合材料气瓶;设计;试验【作者】王恺;吴茜;汪文博;满满;许光【作者单位】中国科学院理化技术研究所,北京100190;中国科学院大学,北京100049;北京宇航系统工程研究所,北京100076;北京宇航系统工程研究所,北京100076;北京宇航系统工程研究所,北京100076;北京宇航系统工程研究所,北京100076;北京宇航系统工程研究所,北京100076【正文语种】中文【中图分类】TB3320 引言高强度复合材料具有强度高、质量轻、耐腐蚀性好等优点，在航空航天领域得到了越来越广泛的应用［1］。

纤维缠绕复合材料气瓶具有质量轻、绝热性能好、先泄漏后爆破等优点［2］。

随着我国宇航技术的发展，对运载器提出了重复使用的要求，这对复合材料气瓶的重复使用性能提出了较大挑战。

其技术难点主要包括复合材料气瓶疲劳寿命要求高、质量轻、工作压力高等［3-4］。

目前，航天用高压复合材料气瓶的重复使用次数一般不超过100次。

本文在综合考虑疲劳寿命、气瓶强度、质量、经济性、工艺性几个方面的情况下，提出了一种可重复使用轻质高压复合材料气瓶，对其结构形式、材料选择、内衬结构和复合材料铺层进行了设计，利用有限元软件对其强度、寿命、静力状态和自紧压力进行了仿真分析，开展了复合材料气瓶爆破试验和液压循环疲劳试验，对气瓶强度和重复使用性能进行了验证。

碳纤维缠绕复合材料气瓶的有限元数值分析的开题
报告
一、课题背景
气瓶是一种高压容器，主要用于汽车、石化、航空航天等领域。

传统的气瓶主要采用金属材料制造，但是金属材料气瓶有缺陷，例如：容易腐蚀、易受到额外的外力等等。

为了弥补金属材料气瓶的不足，人们研发出了碳纤维绕制复合材料气瓶。

碳纤维绕制复合材料气瓶具有重量轻、高强度、耐腐蚀等优势。

二、研究目的
本课题的主要目的是通过有限元数值分析，对碳纤维绕制复合材料气瓶进行研究，以期进一步优化气瓶的结构。

三、研究内容
1.建立碳纤维绕制复合材料气瓶的有限元模型；
2.通过有限元数值分析，研究不同条件下碳纤维绕制复合材料气瓶的力学性能和变形情况；
3.分析气瓶的失效原因，优化气瓶的设计方案。

四、拟采取的研究方法
1.建立气瓶有限元模型；
2.采用ANSYS软件进行有限元数值分析；
3.引入在线监控和可视化技术，对气瓶进行实时检测和分析。

五、预期成果
本课题的预期成果为：
1.建立碳纤维绕制复合材料气瓶的有限元模型；
2.得出不同工况下气瓶的力学性能和变形情况；
3.分析气瓶的失效原因，优化气瓶的设计方案。

六、结论
本课题的研究结果将为碳纤维绕制复合材料气瓶的设计和制造提供有力支持，具有较高的实用价值。

浅析壁金属内衬复合气瓶自紧压力的有限元分析及性能付红栓李赵金立玺发布时间：2021-09-13T00:48:47.987Z 来源：《中国科技人才》2021年第14期作者：付红栓李赵金立玺[导读] 分析自紧压力对壁金属内衬复合材料气瓶性能的影响，主要使用有限元分析法模拟气瓶的自紧过程，进行水压疲劳及爆破试验。

上海市特种设备监督检验技术研究院上海 200062摘要：分析自紧压力对壁金属内衬复合材料气瓶性能的影响，主要使用有限元分析法模拟气瓶的自紧过程，进行水压疲劳及爆破试验。

试验结果表明，自紧压力对壁金属内衬复合材料气瓶的疲劳及爆破性能具有较大的影响。

自紧压力过大的情况下，气瓶容易出现损伤，进而降低气瓶的爆破强度，同时，壁内衬会提前进入屈服状态，疲劳寿命会下降。

关键词：有限元分析；自紧压力；壁金属内衬复合气瓶；性能对于壁金属内衬复合气瓶，其性能的影响因素最重要的就是自紧压力。

通过自紧压力处理，复合材料气瓶内应力会得到降低，有效提升复合气瓶的性能，同时保证金属内衬处于压应力状态，增强疲劳性能。

通过有限元分析，对自紧压力下复合材料气瓶性能变化进行研究，能够为其应用提供可靠的参考。

1.试验1.1试验材料和设备试验所使用的材料主要有：氨类固化剂、缠绕环氧树脂、碳纤维、60L薄壁金属内衬，铝合金，铝合金总长度为660mm，直筒段的厚度为1.4mm，直径为403mm，椭圆封头，短轴长度为150mm，级孔直径为50mm。

使用到的设备主要有：自制的水压试验工装，4轴联动缠绕机、其他缠绕设备、万能材料试验机、声发射装置。

1.2制备气瓶使用湿法缠绕工艺制备壁金属内衬复合气瓶，其中复合材料层的厚度为15mm，气瓶螺旋缠绕的角度为14°、21°、25°、30°、35°、42°，筒身段的环向缠绕角度为89°。

复合材料的每层厚度为0.2mm，纤维体积含量大概60%。

复合材料气瓶高低温条件下的疲劳及爆破性能研究林松;王俊锋;李红;陈亮;孙文文【摘要】本文缠绕成型130 L复合材料气瓶,进行了充放气疲劳及水压爆破试验,并且采用声发射的检测方法对充放气疲劳试验过程进行了监控.试验结果表明:充放气疲劳过程中复合材料气瓶除了承受内压载荷作用,同时还承受由于充放气导致的温度变化产生的热应力,内压以及热应力对气瓶的损伤较大,会导致气瓶疲劳后的爆破压强下降.【期刊名称】《纤维复合材料》【年(卷),期】2015(032)001【总页数】4页(P22-25)【关键词】复合材料气瓶;声发射;气压;疲劳【作者】林松;王俊锋;李红;陈亮;孙文文【作者单位】航天材料及工艺研究所,北京100076;航天材料及工艺研究所,北京100076;航天材料及工艺研究所,北京100076;航天材料及工艺研究所,北京100076;航天材料及工艺研究所,北京100076【正文语种】中文复合材料气瓶由于具有较高的结构效率，在火箭、空间飞行器以及民用的运输装置中得以广泛的应用[1-6]。

目前通常采用水压试验的方式对气瓶的疲劳及爆破强度进行检测，但是实际使用过程中，气瓶使用的为气压，气瓶在充压过程中除了受内压作用外，还会因为充放气导致的温度剧烈变化使得气瓶承受热应力的作用[7]。

国内外学者关于气瓶的热机械应力做了大量的研究工作，Onder[8]的研究表明复合材料气瓶在高温条件下，会由于热应力导致气瓶的机械性能下降。

Messinger 和Pulley[9]研究了IM7/977-2缠绕成型的复合材料气瓶在低温条件下的性能，并且采用声发射对其低温循环过程进行监控，研究表明低温容易导致复合材料气瓶树脂开裂。

Ju[10]等的研究也表明高温条件下，树脂由于韧性减低会导致树脂抗裂纹扩展能力下降，从而使得复合材料气瓶的性能降低。

但是大部分文献报道的只是复合材料气瓶在单一温度或者单一内应力作用下对复合材料气瓶性能的影响，实际气压使用过程中复合材料气瓶的热应力与内应力是比较复杂的，需要开展气瓶的充放气试验。

有限元分析在车载缠绕式复合材料氢气气瓶中的应用分析摘要：本文主要研究和探讨了有限元分析在车载缠绕式复合材料氢气气瓶中的应用。

首先，简要介绍了有限元分析的基本原理和步骤，以及在车载缠绕式复合材料氢气气瓶中的重要性。

接着，详细介绍了有限元模型建立的过程，包括模型建立的原理和步骤以及难点和解决方法。

此外，还分析了不同因素对结果的影响。

最后，提出了优化设计方案，并通过实验验证了优化设计方案的可行性。

本文的研究成果将为车载缠绕式复合材料氢气气瓶的设计和制造提供有益的参考。

关键词：有限元；车载缠绕式复合材料；氢气气瓶；应用随着科技的不断进步，车载缠绕式复合材料氢气气瓶的安全性和性能受到了广泛关注。

作为一种新型的能源储存容器，车载缠绕式复合材料氢气气瓶具有高效、安全、节能等优点。

然而，由于其复杂的结构和使用环境，气瓶的性能容易受到多种因素的影响。

因此，研究车载缠绕式复合材料氢气气瓶的安全性和性能是非常必要的。

1.有限元分析方法1.1介绍有限元分析的基本原理和步骤有限元分析（FEA）是一种计算方法，它通过将一个连续的问题离散成一组有限个、并且互相有限差别的单元（或节点）的组合体，以单元集合体来逼近原来的物理系统。

它利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷）进行模拟。

有限元分析的步骤通常包括以下几部分：1.模型建立：这一步中，需要根据实际问题建立起相应的数学模型，一般需要明确边界条件，并确定主要的物理量。

2.离散化：连续的物理系统被离散成一系列的离散单元，这些单元通过节点相互连接。

3.建立刚度矩阵：在离散化之后，对每个单元的物理性质（如刚度、质量等）进行评估，并建立起整个系统的刚度矩阵和质量矩阵。

4.施加边界条件和载荷：根据实际问题的约束和载荷情况，对有限元模型的节点进行边界条件和载荷的施加。

5.求解：使用合适的求解器对有限元方程进行求解，得到每个节点的位移和应力等物理量。

6.结果后处理：在求解完成后，对结果进行后处理，通常包括应力、应变、位移等结果的显示和分析。

复合环形气瓶爆裂原因分析燕翔;刘礼军;姜涛【摘要】复合环形气瓶爆破压力58 MPa,未满足60 MPa设计指标.气瓶水压爆破试验前依次经强度试验、气密性检查和疲劳试验.气瓶外层缠绕芳纶纤维,内衬为TC4钛合金超塑成形后激光焊接.运用多种分析手段开展内衬裂纹及断口的宏微观形貌分析、特征微区化学成分测定、焊缝金相组织检查.结果发现:在内衬内焊缝收弧焊趾部位存在裂纹源,裂纹源由数个微氧化脆性准解理小平面组成,源区与瞬断过渡区有疲劳条带特征.分析表明,裂纹源形成于焊接过程,在疲劳试验中发生疲劳扩展,而后爆破试验因裂纹前端应力强度因子达到临界值而发生失稳爆裂,裂纹性质为氢脆裂纹,属焊接气体保护不充分引起的环境吸氢.【期刊名称】《失效分析与预防》【年(卷),期】2018(013)006【总页数】6页(P383-388)【关键词】复合环形气瓶;爆裂;激光焊接;氢脆;疲劳【作者】燕翔;刘礼军;姜涛【作者单位】湖北三江航天红阳机电有限公司, 湖北孝感432100;湖北三江航天红阳机电有限公司, 湖北孝感432100;中国航发失效分析中心, 北京100095【正文语种】中文【中图分类】TG1150 引言气瓶是化工、机械、航天、航空、造船、海洋开发等领域普遍采用的一种重要的储气压力容器，复合材料气瓶是其中的一种形式，相比单纯金属气瓶，复合气瓶具有质量轻、承载能力大、负载工作寿命长、安全性高等突出优点，逐渐成为气瓶发展的一种趋势［1］，复合气瓶主要分为金属内衬复合材料气瓶和全复合材料气瓶。

航天用动力源气瓶采用环形结构，外层芳纶纤维增强的树脂基复合材料缠绕成形，金属内衬采用TC4钛合金超塑成形后再经激光焊接，气瓶结构紧凑，密封性好，承压高，爆破压力可达到80 MPa，然而在爆破试验中未能达到60 MPa设计指标而发生爆裂失效，本研究运用多种手段对失效气瓶裂纹及断口进行综合分析，确定失效性质，查找失效原因，为推动激光焊接技术工程化运用提供参考价值。

复合材料储氢瓶的有限元参数化设计研究杨冬林;吕洪;张存满【摘要】针对目前应用较为广泛的氢燃料电池高压储氢瓶存在的问题,提出了复合材料气瓶建模的参数化设计方法,包括材料参数,缠绕模式参数,几何参数和复合层加载参数等.其次,根据建立的参数化设计模型进行有限元实现,最终得到应力和应变计算结果,并分析气瓶加载后的疲劳寿命分布情况.最后,对气瓶加载后容易失效的区域进行了预测.【期刊名称】《佳木斯大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2019(037)002【总页数】4页(P240-242,239)【关键词】高压储氢瓶;参数化设计;有限元分析;应力应变分布;疲劳寿命【作者】杨冬林;吕洪;张存满【作者单位】同济大学汽车学院上海201804;同济大学新能源工程中心上海201804;【正文语种】中文【中图分类】TP391.90 引言高压储氢瓶复合压力容器通常在高压和高温环境下工作，对材料物理机械性能、可靠性和经济性提出了更高的要求[1]。

通常，在复合容器的制造过程中，为了在不同方向上达到高刚度和强度，需要纤维保证每层内的所有纤维具有共同的取向[2]。

目前复合材料气瓶的设计主要集中在网格理论和有限元软件建模(FEM)。

有学者提出基于网格理论和纤维层合板理论的复合材料容器设计方法，并预测了复合材料气瓶的爆炸压力[3,4]。

还有学者使用ANSYS的有限元方法建立了具有不同缠绕模式的储氢容器的参数模型，并计算得到了相应的气瓶应力应变分布规律[5,6]。

为了合理对储氢瓶进行建模，采用了参数化设计方法，并进行了有限元软件仿真得到了气瓶模型在工作压力下的应力应变结果，并以此得出了气瓶容易产生疲劳破坏的区域。

1 储氢瓶参数化建模1.1 气瓶材料参数通常，高压储氢瓶由塑料聚合物或铝内衬组成，铝内衬作为氢气的渗透屏障；内衬外部的碳纤维/环氧复合材料为气瓶提供了高压承载能力。

为了减轻结构重量并确保降低成本，使用具有更好强度性能的T700碳纤维。

UHMWPEF 缠绕铝内衬复合材料气瓶的爆破压力预测 摘要：本文利用有限元强大的后处理功能，在复合材料气瓶的有限元模型上选取一条路径，使其能够代表复合材料气瓶模型上的所有点，然后在同一载荷下观察这一路径上的点的应变曲线，观察曲线规律，从中选取三个点做出载荷-应变曲线，找出最大应变点。

然后做出环向纤维缠绕复合材料层的这个点在不同载荷下的载荷-应变曲线，根据最大应变准则，预测UHMWPE 纤维缠绕复合材料气瓶的爆破压力。

关键词： 有限元；最大应变准则；爆破压力；网格分析引言气瓶为移动式容器，为了减轻气瓶的重量，同时又能承受较高的压力，出现了在金属或非金属材料内衬上环缠绕和全缠绕纤维材料组合结构的缠绕气瓶，即复合材料气瓶[1]。

一般而言在相同容积，承受相同内压情况下，复合材料气瓶的重量大约是钢瓶的50%-60%[2]。

因此，复合材料气瓶的应用越来越广泛。

复合材料的显著优点是比强度高、比模量大、抗疲劳性能好。

复合材料具有的这些优点正好满足航天系统对减轻结构重量的特殊要求，这使它成为当代航天系统上应用越来越多的重要材料。

但是复合材料具有强烈的各向异性和非均质性的特点，因此它的力学性能比较复杂[1]。

此外结构在形成过程中有组分材料的物理和化学变化发生，构件的性能对复合工艺的依赖性很大[2-3]。

这些因素决定了复合材料气瓶结构的复杂性，因此仅靠网格理论对其进行静力学设计和分析不能满足空间系统对压力容器的高可靠、高性能要求，而有限元分析方法能进行非常准确和详细的静力学分析[4]，为设计提供充分和足够的应力应变分析数据，从而将盲目性减小到最低程度，使气瓶设计达到最佳程度[5]。

国外复合气瓶的研究主要集中在对复合材料本身的性能及容器本身的各种极限问题的研究。

国内的研究主要在结构的设计以及数值模拟方面[13]。

本文利用有限元强大的后处理功能，在复合材料气瓶的有限元模型上选取一条路径，使其能够代表复合材料气瓶模型上的所有点，然后在同一载荷下观察这一路径上的点的应变曲线，观察曲线规律，从中选取三个点做出载荷-应变曲线，找出最大应变点。

气瓶动态爆破压力预测
韦晨;王泽军;谭蔚;姜斌
【期刊名称】《压力容器》
【年(卷),期】2014(000)004
【摘要】为分析气瓶爆炸事故原因，预测气瓶爆破压力，以气瓶材料HP295钢为研究对象，通过力学试验研究其在动态加载条件下的力学性能，发现HP295钢具有应变率效应。

建立有限元模型并结合得到的动态强度指标，对气瓶爆破进行动态分析，结果表明气瓶最终在筒体处发生破裂。

随加载速率的增加，有限元分析得到的爆破压力与使用修正后的巴洛公式估算得到的爆破压力逐渐接近，所以动态快速加载条件下，可用该公式对爆破压力进行预测。

【总页数】8页(P41-48)
【作者】韦晨;王泽军;谭蔚;姜斌
【作者单位】天津市特种设备监督检验技术研究院，天津 300192;天津市特种设备监督检验技术研究院，天津 300192;天津大学，天津 300072;天津市特种设备监督检验技术研究院，天津 300192
【正文语种】中文
【中图分类】TH49;TQ053.2;O241.82
【相关文献】
1.复合材料气瓶有限元分析与爆破压力预测 [J], 常新龙;张晓军;刘新国;简斌
2.含矩形缺陷结构纤维全缠绕气瓶的爆破压力预测 [J], 王子文;赵建平;章昕
3.UHMWPE纤维缠绕铝内衬复合材料气瓶爆破压力预测 [J], 徐明林; 吴晓青; 安明康
4.UHMWPE纤维缠绕铝内衬复合材料气瓶爆破压力预测 [J], 徐明林; 吴晓青; 安明康
5.基于ACP的碳纤维复合材料气瓶渐进损伤与爆破压力预测 [J], 窦丹阳;郑传祥;林娇;陈建阳
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基于Tsai-Wu失效准则的复合材料气瓶爆破压力预测与试验
验证
邓淞文;盛鹰;贾彬;王汝恒
【期刊名称】《西南科技大学学报》
【年(卷),期】2022(37)3
【摘要】针对车载CNG复合材料气瓶,根据网格理论设计了碳纤维在气瓶的封头段与筒身段的缠绕角度与厚度,并利用ANSYS APDL语言实现了碳纤维在封头段的变角度与变厚度缠绕,建立了复合材料气瓶三维有限元分析模型,利用该有限元模型进行了各种内压工况下的强度分析,并基于Tsai-Wu失效准则,得出复合材料层的破坏因子,预测了该气瓶的爆破压力与爆破位置并通过爆破试验验证了有限元计算的正确性。

结果表明,该复合材料气瓶爆破内压为67 MPa,爆破位置在筒身段与封头段的过渡处,并沿筒身段扩展。

【总页数】9页(P21-28)
【作者】邓淞文;盛鹰;贾彬;王汝恒
【作者单位】西南科技大学土木工程与建筑学院;西南科技大学工程材料与结构冲击振动四川省重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】O341
【相关文献】
1.复合材料气瓶有限元分析与爆破压力预测
2.低温复合材料气瓶爆破压力的有限元分析与试验研究
3.UHMWPE纤维缠绕铝内衬复合材料气瓶爆破压力预测
4.UHMWPE纤维缠绕铝内衬复合材料气瓶爆破压力预测
5.基于ACP的碳纤维复合材料气瓶渐进损伤与爆破压力预测
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