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复合材料压力容器热力耦合应力分析

作　者: 张骞
导　师: 胡大鹏; 王泽武
学　校: 大连理工大学
专　业: 化工过程机械
关键词: 压力容器复合材料热力耦合分析纤维缠绕有限元
分类号: TH49
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

压力容器是一种可能引起爆炸或中毒等危害性较大事故的特种设备,其设计、制造、检验与验收需要严格依照相关标准。目前,现行的压力容器规范规定压力容器材料不能存在各向不均匀性,大多将容器器壁简化为均匀受力的薄膜进行强度计算,以薄膜应力来描述整个容器的应力水平。然而,对于非均匀的复合材料压力容器,如复合钢板压力容器、纤维缠绕压力容器和功能梯度材料涂层压力容器,原则上上述设计方法已不再适用,生产中多采用以牺牲成本(材料)换安全的简化方法。因此,对于这三类新型复合材料压力容器热力耦合力学行为及结构强度设计方法研究迫在眉睫。为此,本文提出对复合钢板压力容器、纤维缠绕压力容器、功能梯度材料涂层压力容器这三类典型复合材料压力容器在热力耦合力学作用下应力进行研究,并基于有限元数值技术分别建立了该三类容器数值模型加以验证理论模型准确性。最后,对这三类压力容器结构受力特点进行了详细讨论和优化,旨在为今后这类新型复合材料压力容器的规范设计提供有力的理论依据和技术支持。其主要研究工作如下：(1)通过创新性引入一个轴向挤压力,推导了多层复合钢板压力容器在热力耦合作用下三向应力计算一般表达式,并基于有限元方法建立该多层复合钢板压力容器数值模型,验证了理论推导结果的正确性。另外,在数值解的基础上,对复合钢板压力容器应力分布特性进行了详细讨论。研究发现,对于多层结构容器,在温度载荷作用下,出现轴向应力大于环向应力的情况,有别于常规容器应力分布,另外多层容器边缘应力同样具有局部性,峰值应力影响范围与常规容器相当。(2)基于线弹性和小应变理论,考虑各项同性传热条件下,对含金属内衬纤维缠绕压力容器在热力耦合作用下的三向应力进行了理论推导,并基于有限元数值建模方法验证了理论推导的正确性。另外,考虑到自增强工艺需要,基于有限元方法建立了含金属内衬纤维缠绕压力容器的弹塑性数值模型,分别计算了在预紧压力、卸载零压力以及工作压力三种工况下的应力。结果表明：预紧处理可以显著改善工作载荷下纤维层的应力分布,充分发挥复合材料高强度的特点,提高压力容器的强度和抗疲劳性能。(3)通过引入功能梯度材料幂函数物性参数模型和变系数微分方程的Euler法,对含功能梯度材料涂层压力容器在热力耦合作用下的三向应力进行了理论推导,通过联立物理方程、几何方程、平衡方程和边界条件得到三向应力解析解,并基于有限元方法建立功能梯度材料涂层压力容器在热力耦合作用下数值模型,数值解验证了理论推导结果正确性。最后,在数值解的基础上,讨论功能梯度材料涂层的界面效应和耐热性能,结果表明：功能梯度材料可以有效的消除多层结构压力容器界面应力突变,显著提升了压力容器的承载性能。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-11
引言  11-12
1 绪论  12-21
  1.1 压力容器发展概况  12-13
  1.2 复合材料压力容器  13-16
    1.2.1 复合钢板压力容器  13-14
    1.2.2 纤维缠绕压力容器  14-15
    1.2.3 功能梯度材料压力容器  15-16
  1.3 复合材料压力容器结构应力分析研究现状  16-19
    1.3.1 复合钢板压力容器结构应力分析现状  16
    1.3.2 纤维缠绕压力容器结构应力分析现状  16-17
    1.3.3 功能梯度压力容器结构应力分析现状  17-19
  1.4 问题提出与研究内容  19-21
    1.4.1 问题提出  19
    1.4.2 本文主要研究内容  19-21
2 复合钢板压力容器热力耦合应力分析  21-36
  2.1 复合钢板压力容器结构应力计算问题分析  21
  2.2 复合钢板压力容器筒体应力推导  21-29
    2.2.1 问题解决方案  21-23
    2.2.2 稳态传热方程  23-24
    2.2.3 基本方程  24
    2.2.4 边界条件  24-28
    2.2.5 应力计算式  28-29
  2.3 复合钢板压力容器半球型封头应力推导  29-30
    2.3.1 基本方程  29
    2.3.2 边界条件  29-30
    2.3.3 应力计算公式  30
  2.4 理论公式的数值验证  30-35
    2.4.1 多层复合钢板压力容器有限元建模  30-32
    2.4.2 结果验证  32-33
    2.4.3 结果讨论与分析  33-35
  2.5 本章小结  35-36
3 纤维缠绕压力容器热力耦合应力分析  36-57
  3.1 纤维缠绕结构强度设计准则  36-38
    3.1.1 纤维缠绕压力容器的预紧处理技术  36-37
    3.1.2 纤维缠绕结构的强度准则  37-38
  3.2 ANSYS结构非线性分析  38-42
    3.2.1 结构非线性  38-39
    3.2.2 弹塑性分析  39-40
    3.2.3 ANSYS非线性分析  40-42
  3.3 纤维缠绕压力容器筒体热力耦合弹性解析解的推导  42-50
    3.3.1 各项同性传热模型  42
    3.3.2 基本方程  42-46
    3.3.3 边界条件和解析解  46-47
    3.3.4 论公式数值验证  47-50
  3.4 纤维缠绕压力容器弹塑性有限元建模  50-56
    3.4.1 有限元建模  50-53
    3.4.2 结果分析与讨论  53-56
  3.5 本章小结  56-57
4 功能梯度涂层压力容器热力耦合应力分析  57-72
  4.1 功能梯度材料物性分布模型  57-59
    4.1.1 材料模型  57
    4.1.2 温度分布模型  57-58
    4.1.3 功能梯度涂层压力容器结构示意图  58-59
  4.2 功能梯度涂层压力容器筒体应力推导  59-63
    4.2.1 在内压和温度载荷下基本方程  59-60
    4.2.2 三向应力推导  60-61
    4.2.3 边界条件和解析解  61-63
  4.3 功能梯度涂层压力容器半球型封头应力推导  63-65
    4.3.1 在内压和温度载荷下基本方程  63
    4.3.2 三向应力推导  63-64
    4.3.3 边界条件和解析解  64-65
  4.4 理论公式数值验证  65-70
    4.4.1 有限元建模  65-67
    4.4.2 结果验证  67-68
    4.4.3 结果分析与讨论  68-70
  4.5 本章小结  70-72
5 结论与展望  72-74
  5.1 研究工作总结  72-73
  5.2 今后研究展望  73-74
参考文献  74-79
附录A 矩阵系数  79-83
攻读硕士学位期间发表学术论文情况  83-84
致谢  84-85

复合材料压力容器热力耦合应力分析

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