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复合材料LNG车载气瓶的制备和有限元分析
| 论文题名： | 复合材料LNG车载气瓶的制备和有限元分析 |
| 关键词： | 液化天然气车载气瓶;复合材料;渐进损伤;自紧压力;有限元分析;水压爆破 |
| 摘要： | 复合材料液化天然气(LiquefiedNaturalGas,LNG)气瓶是一种用以储存高压燃气的压力容器，是天然气汽车和其他运输工具的关键储能部件，与金属气瓶相比，LNG气瓶在具备轻量化的同时具有更高的比强度和比刚度，以及更好的使用寿命和抗疲劳性能，因此被广泛应用于除汽车工业外的其他工业领域。 相比发达国家，我国的LNG气瓶发展缓慢，国内车载气瓶或全部采用进口，或最关键的原材料碳纤维需要从国外进口，从而导致产品的成本过高，限制了LNG车载气瓶产业的发展。随着我国碳纤维行业的快速发展和复合材料成型技术的不断进步，国产碳纤维的力学性能和稳定性得到了很大提升。因此，开展采用国产碳纤维LNG车载气瓶成型工艺的研究，掌握气瓶成型工艺的关键技术，实现LNG气瓶国产化替代，对我国LNG气瓶的产业发展具有重要的现实意义。 针对这一问题，本文选用国产T700级碳纤维为气瓶原材料，钢质内胆为缠绕芯模开展气瓶成型工艺和制备研究。项目采用有限元软件对LNG气瓶进行结构设计和优化、开展失效模式分析和自紧压力优化，为LNG气瓶的国产化替代提供技术支撑，具体研究内容如下: (1)对复合材料LNG车载气瓶进行应力分析。首先，通过设计气瓶的结构参数，确定其形状和尺寸;然后，使用商用有限元软件Abaqus建立气瓶的三维模型，探讨材料模型的属性和材料力学性能，通过开展网格划分和边界条件的设置,模拟气瓶在各个工况下的极限承载应力，得出内胆和纤维缠绕层的应力分布，预测LNG气瓶的极限承载能力。 (2)开展复合材料渐进损伤研究。根据复合材料基本力学，选择3DHashin失效准则和Camanho退化方案来实现复合材料的渐进失效过程分析。研究结果表明:复合材料气瓶的失效并不是瞬间发生的，而是一个由基体开裂到纤维断裂的渐进过程，复合材料单层和局部失效并不会立即引起气瓶的整体失效，通过渐进损伤分析，预测了气瓶的最大爆破压力为58MPa。 (3)研究自紧压力对LNG气瓶性能的影响。通过对比自紧前后气瓶在各个工况下内衬层、纤维缠绕层的应力分布，论证自紧处理对气瓶制备的必要性。结果表明:自紧处理能够有效发挥碳纤维的力学性能优势，降低气瓶内衬层的应力,改善应力分布;通过自紧优化得到LNG气瓶的最佳自紧压力为37MPa。 (4)开展气瓶制备和水压爆破试验。采用湿法缠绕工艺开展LNG气瓶的制备，然后对气瓶进行水压爆破，测试其极限承载内压，并进行有限元优化对比。结果表明，LNG气瓶的爆破压强为57MPa,与模型预测结果一致。 |
| 作者： | 王佳怡 |
| 专业： | 纺织工程 |
| 导师： | 竺铝涛 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 浙江理工大学 |
| 学位年度： | 2023 |
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