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有限元分析時氣瓶容積與內(nèi)襯筒體直徑、筒身段長度的關(guān)系，內(nèi)襯的直徑與筒身的長度不是隨意選取的，要考慮纖維纏繞工藝的要求。要保證纖維在芯模表面位置穩(wěn)定、不打滑、不架空，這就要求螺旋纏繞的線型是測地線。根據(jù)纖維纏繞測地線方程，我們可以根據(jù)以下公式計(jì)算出纖維纏繞一周芯模所轉(zhuǎn)過的轉(zhuǎn)角θ。
根據(jù)壓力容器長徑比要求以及車載CNG氣瓶使用約束條件，取筒身直徑范圍為260～350mm，則纖維繞氣瓶纏繞一周芯模的轉(zhuǎn)角范圍為484.96°～932.80°。通過查纖維纏繞線型表，選取2切點(diǎn)，芯模轉(zhuǎn)角為600°的纖維纏繞線型。將轉(zhuǎn)角代入上式可求得筒身直徑D=310mm，進(jìn)而可得筒身段長度L1=858mm，氣瓶總長L=1118mm(尺寸取整)。設(shè)計(jì)出的氣瓶內(nèi)襯幾何結(jié)構(gòu)如下圖所示。
對于圓柱形壓力容器，纏繞工藝的基本線型有：螺旋纏繞、環(huán)向纏繞、平面纏繞、縱向纏繞。本車載氣瓶纖維纏繞層采用螺旋纏繞和環(huán)向纏繞相結(jié)合的方式，其中封頭部分只有螺旋纏繞，筒體部分為二者相結(jié)合纏繞。
將已知量σf=1339MPa，r0=30mm，Ｒ=155mm帶入上式，求得螺旋纏繞角度為11.15°，環(huán)向纖維厚度為9.64mm，螺旋纖維厚度為6.64mm。
選擇合適的單元類型是正確仿真分析的前提。本文內(nèi)襯選用solide95單元，復(fù)合材料層選用shell181單元。鋁合金6061和T700/環(huán)氧樹脂具體力學(xué)性能參數(shù)見表1和表2。由于氣瓶是對稱結(jié)構(gòu)，所以取氣瓶的1/4結(jié)構(gòu)建模，在模型內(nèi)襯剖面上施加對稱約束，接嘴口外端施加軸向約束。按照DOT-CFFC標(biāo)準(zhǔn)，氣瓶內(nèi)表面分別施加各種工況壓力，即工作壓強(qiáng)為20MPa、試驗(yàn)水壓為30MPa和最小爆破壓強(qiáng)為68MPa。
對于復(fù)合材料壓力容器的分析方法，鋁內(nèi)襯主要是分析Mises應(yīng)力是否符合設(shè)計(jì)要求，纖維纏繞層主要分析橫向、縱向和面內(nèi)剪切應(yīng)力是否符合設(shè)計(jì)要求。通過ANSYS仿真計(jì)算得到各工況下氣瓶內(nèi)襯、纖維層的應(yīng)力云圖如圖3至圖14所示。
通過分析ANSYS仿真模擬和計(jì)算結(jié)果可得：
(1)工作壓強(qiáng)下，內(nèi)襯的最大VonMises應(yīng)力在筒身段，最大應(yīng)力為144MPa，小于鋁合金屈服極限的60%(177.6MPa)，纖維層的縱向應(yīng)力最大為264MPa，遠(yuǎn)小于碳纖維/環(huán)氧樹脂材料的許用應(yīng)力(1339MPa)，完全滿足DOTCFFC標(biāo)準(zhǔn)對工作壓力下內(nèi)襯許用應(yīng)力的要求；最大位移為0.734mm(小于3mm)，滿足穩(wěn)定性要求；
(2)試驗(yàn)壓強(qiáng)下，內(nèi)襯的最大VonMises應(yīng)力在筒身段，內(nèi)襯最大應(yīng)力為216MPa，纖維層的縱向最大應(yīng)力在筒身段，其應(yīng)力值為396MPa，均滿足其許用應(yīng)力值；最大位移為1.101mm(小于3mm)，滿足穩(wěn)定性要求；
(3)爆破壓強(qiáng)下，內(nèi)襯屈服，其最大應(yīng)力為300MPa，小于內(nèi)襯極限強(qiáng)度330MPa，纖維層縱向最大應(yīng)力為1001MPa，小于纖維許用應(yīng)力1339MPa；工作壓力下纖維層最大應(yīng)力為264MPa，小于爆破壓力下纖維層最大應(yīng)力的30%，滿足DOT-CFFC標(biāo)準(zhǔn)對纖維應(yīng)力比的要求。
本文通過對纖維纏繞車載CNG氣瓶的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其有限元分析，可得出以下結(jié)論：
(1)依據(jù)薄膜理論和網(wǎng)格理論設(shè)計(jì)的氣瓶滿足DOT-CFFC標(biāo)準(zhǔn)的工程設(shè)計(jì)要求；
(2)實(shí)現(xiàn)ANSYS參數(shù)化編程語言(APDL)對復(fù)合材料氣瓶的仿真分析，可大大縮短氣瓶的設(shè)計(jì)周期，節(jié)約設(shè)計(jì)成本；
(3)有限元分析過程中，對氣瓶的仿真分析與氣瓶的實(shí)際生產(chǎn)工藝、受力狀態(tài)有差異，還需實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證，不斷完善纖維纏繞車載CNG氣瓶的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
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