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碳纤维缠绕车载CNG气瓶设计及有限元分析
| 论文题名： | 碳纤维缠绕车载CNG气瓶设计及有限元分析 |
| 关键词： | 压缩天然气汽车;复合材料气瓶;碳纤维;缠绕成型;力学分析 |
| 摘要： | 近年来由于环境污染和石油匮乏等原因，我国正大力推动压缩天然气（Compressed natural gas，CNG）汽车的发展，车载CNG气瓶作为汽车的关键储能部件需求量也越来越大。复合材料具有良好的力学性能，其比强度和比刚度远高于金属材料，而且具有使用寿命长和设计性强的特点，使得复合材料CNG气瓶成为车载高压气瓶研究领域的热点之一。这类气瓶能够很好地发挥复合材料的特性，应用前景十分广阔。随着复合材料气瓶的推广，相信会在节约能源、改善生态环境等方面发挥重要作用。 本文分别介绍内衬和纤维增强层的成型工艺，并对缠绕成型工艺中常用的几种工艺方法进行简要介绍，为后续复合材料气瓶的设计提供工艺基础。接下来介绍了复合材料力学的基础知识和几种常用的失效形式为气瓶的有限元分析提供理论依据。应用薄膜理论和网格理论推导得到内衬和纤维缠绕层的计算公式，完成70L铝合金内衬复合材料气瓶的结构设计。运用ABAQUS软件对设计的复合材料气瓶进行力学分析，按照铝内衬全缠绕碳纤维增强复合气瓶的基本要求（DOT-CFFC）对设计方案进行验证。本文设计了两种不同加载方案，方案二在方案一中已有的工况基础上增加自紧压力和零压力工况，通过对方案一和二的结果进行对比，验证气瓶制作完成后进行自紧处理的必要性。基于最大应力准则和Hashin失效准则对复合材料气瓶的纤维层进行校核。基于最大应变失效准则预测气瓶发生爆破的临界压力。 通过分析，经过自紧处理的气瓶在工作压力下内衬的应力水平下降19%，证明为提高气瓶的使用寿命对气瓶进行自紧处理是十分必要的。自紧处理后气瓶在各种工况下能够达到DOT-CFFC的要求，证明设计方案是可行的，能够用于实际生产中。当自紧压力为43MPa时，内衬的应力水平是最低的。基于最大应力失效准则和Hashin失效准则校核纤维层的安全性，利用最大应变失效准则预测气瓶的爆破压力为125MPa，爆破压力是工作压力6倍左右，气瓶在使用过程中安全系数较高。 |
| 作者： | 刘昊 |
| 专业： | 车辆工程 |
| 导师： | 杜宇 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 大连理工大学 |
| 学位年度： | 2018 |
| 正文语种： | 中文 |
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