复合材料压力容器的可靠性优化设计研究
低温压力容器材料概述
低温压力容器材料概述低温压力容器一般用于贮存低温化学物质或气体，具有耐低温、耐腐蚀、耐高压等特点。
由于低温能够导致材料的脆性和转变，因此低温压力容器的材料选择至关重要。
本文将就低温压力容器的材料特性和应用进行概述。
一、材料特性1. 耐低温性能低温压力容器材料需要具有良好的耐低温性能，能够在低温环境下保持良好的机械性能。
通常要求材料在-196°C以下仍能保持较高的强度和韧性。
2. 耐腐蚀性能低温压力容器通常用于贮存化学物质或气体，因此材料需要具有良好的耐腐蚀性能，能够抵御各种化学物质对材料的侵蚀，保持容器的完整性和安全性。
3. 强度和韧性由于低温环境下材料容易脆化，因此低温压力容器的材料需要具有较高的强度和韧性，能够承受高压和低温环境下的应力和变形。
4. 焊接性能低温压力容器通常是由多个零部件焊接而成，因此材料需要具有良好的焊接性能，能够保证焊接接头的强度和密封性。
二、常用材料1. 低合金钢低合金钢是一种常见的低温压力容器材料，具有良好的强度、韧性和耐腐蚀性能，适用于低温环境下的高压容器。
2. 不锈钢不锈钢具有良好的耐腐蚀性能，适用于贮存腐蚀性物质的低温压力容器。
常用的不锈钢材料有304、316、321等。
5. 碳纤维复合材料碳纤维复合材料具有优异的强度和韧性，适用于制造轻量化的低温压力容器。
三、应用领域1. 化工行业低温压力容器广泛应用于化工行业，用于贮存液氨、液氮、液氢等低温化学品。
2. 能源行业低温压力容器用于贮存液态天然气、液态氢等能源物质，以及制造液氮、液氢等低温制冷设备。
3. 医疗行业低温压力容器用于制造液氮、液氢等医疗用冷冻设备，用于保存生物样品和药品。
4. 航空航天低温压力容器用于航空航天领域，用于贮存航天器上的液氢、液氧等低温燃料。
低温压力容器材料需要具有良好的低温、腐蚀、强度和韧性等特性，常用的材料有低合金钢、不锈钢、铝合金、镍基合金和碳纤维复合材料等，广泛应用于化工、能源、医疗和航空航天等领域。
复合材料储氢气瓶组合阀门研发生产方案(一)
复合材料储氢气瓶组合阀门研发生产方案一、实施背景随着全球对可再生能源需求的不断增加，氢能作为一种清洁、高效的能源形式，其应用价值正日益凸显。
然而，氢气的储存和运输仍是当前面临的挑战之一。
传统的钢制储氢气瓶重量大、体积大，且存在安全隐患。
因此，开发新型的储氢气瓶及组合阀门成为了当务之急。
本方案旨在通过研发生产复合材料储氢气瓶组合阀门，推动氢能产业的发展。
二、工作原理复合材料储氢气瓶组合阀门的工作原理主要涉及压力容器和阀门的组合设计。
首先，我们采用先进的复合材料技术，制造出轻量化、高强度的储氢气瓶。
然后，在此气瓶上配备一组精密的组合阀门，以实现安全、高效的控制氢气的充注和排放。
1.储氢气瓶：采用碳纤维复合材料技术，制造出具有高强度、轻量化的储氢气瓶。
这种气瓶能够有效地提高氢气的储存密度，降低储存压力，从而减小了储存风险。
2.组合阀门：阀门采用电动或气动执行器驱动，具有快速响应、高精度控制的特点。
阀门的设计需考虑密封性、耐压性、耐腐蚀性以及与储氢气瓶的兼容性。
三、实施计划步骤1.研发阶段：进行材料选择、结构设计、模拟分析等研究工作，确定最佳方案。
2.样机制作：根据研发成果，制作复合材料储氢气瓶组合阀门的样机。
3.试验验证：对样机进行各项性能试验，包括压力测试、密封性能测试、耐腐蚀性测试等，确保产品的可靠性。
4.小批量生产：根据试验结果，进行小批量生产以进一步优化产品。
5.工业化生产：在确保产品性能稳定和小批量生产成功后，逐步过渡到工业化生产。
四、适用范围本产品适用于以下领域：1.能源储存：作为清洁能源储存设备，用于电力、热力等领域的能量调度。
2.移动能源：用于新能源汽车、无人机等移动设备的能源供应。
3.应急能源：在应急救援、野外生存等情况下作为能源保障。
五、创新要点1.采用先进的复合材料技术，使储氢气瓶具有高强度、轻量化和高安全性的特点。
2.组合阀门的快速响应和精确控制能力，提高了氢气的充注和排放效率。
复合材料燃气瓶应用研究
过程为 ： 首先采用旋转模塑法制造 内衬 ， 然后时不 需 要将 剪 切 荷 缠
国 内外 的一 大热点 。
在同样的容积 和压力下 ， 根据 内衬 的种类和外 层复合材料的不同， 复合材料燃气瓶 比钢制燃气瓶 可减轻 １３— ／ ； ／ ２ ３ 且在 汽车运行节能上更具优 势 ； 同时复合材料燃气瓶在受到撞击或高速冲击发生破 坏 时不会 产 生具有 危 险性 的碎 片 ， 而 减 少 或 避 免 从 了对人员和车辆 的损害。近年来 ， 随着复合材料成
需要多消耗 ０７Ｌ燃料 ， 而对环境造成 了相应的 ． 从 污染。从汽车动力学角度看来 ， 也受到负面的影响 ， 例如 ，Ｎ Ｃ Ｇ或 Ｌ Ｇ钢制容器额外的质量 （ Ｐ 通常位于 汽车 的尾部 ） 使得 汽 车的行 为 曲线 发 生变化 。另 外， 在某些 国家如荷兰 ， 车重的增加将导致道路税的 增加。
摘要 简述复合材料 燃气瓶 的优点 ， 以高 密度 聚 乙烯为 内对的 复合材 料燃 气瓶 为例 ， 介绍其 结构 、 材料 选择和 制备 工 艺， 通过 坠落试验 、 爆破试验 、 燃烧试验 和冲击试验检验 了复 合材料 燃气瓶 的使用性 能， 并通过与铜 制燃 气瓶
的 比 较 。 出推 广 应 用 复 合 材 料 燃 气瓶 的 意 义 和 必要 性 。 指 关键词 复合材料 燃 气瓶 应 用
为了实现合适 的产 品设计 ， 必须认识到在产 品
功能 、 形状 、 所用材料和制造工艺之间存在着较强的
相互关系。复合材料燃气瓶所选用的材料 （ 树脂或
增强纤维 ） 与燃气瓶 的功能是一致的。燃气瓶 的形 状应为均匀 的旋转体 ， 采用 的成型工艺应 为纤维缠 绕工艺。 从汽车轻量化的角度考虑 ， 对于各 向同性材料 ， 最适宜的形状是球体 ， 整个球体 的拉伸荷载是相 同 的。当基体 中有长 的、 连续的纤维时． 通常不是各向 同性材料 。因此对于纤维增强塑料最适宜的形状不 是球体而是其它形状。可以忽略基体 的影响， 采用 网格理论计算确定应采用 的形状 ： 将缠绕结构中的 纤维看作只承受拉伸荷 载的连续长纤维， 假设树脂 不能在纤维 间传递剪切荷载 ， 即在 同一个压力容器 中的所有纤维承受相同的拉伸荷载。 复合材料燃气瓶由内衬、 增强纤维、 保护层和轴
碳纤维增强复合材料的微观结构与力学性能关系研究
碳纤维增强复合材料的微观结构与力学性能关系研究摘要：我们旨在深入探讨碳纤维增强复合材料的微观结构与力学性能之间的关系。
通过采用先进的显微结构分析技术和力学测试手段，我们系统地研究了不同微观结构下碳纤维复合材料的力学响应。
结果表明，碳纤维的分布、取向以及复合基体的性质等微观结构参数对力学性能有着显著影响。
本研究为优化碳纤维增强复合材料的设计和制备提供了深刻的理论指导。
关键词：碳纤维复合材料，微观结构，力学性能，显微分析，设计优化引言：随着碳纤维增强复合材料在航空航天、汽车工业等领域的广泛应用，对其性能优化的需求日益迫切。
而微观结构是决定材料性能的重要因素之一。
在设计阶段，我们需要充分理解碳纤维复合材料微观结构与力学性能之间的关系，以便更有效地调控和提升材料性能。
在深入研究碳纤维复合材料的微观结构与力学性能之间的关系后，我们期望能够为制备高性能的碳纤维复合材料提供科学依据，推动其在各个工程领域的广泛应用。
一、碳纤维的微观分布特征碳纤维在增强复合材料中的微观分布特征直接关系到材料的力学性能和整体性能。
首先，我们将深入研究碳纤维在复合材料中的三维分布情况。
通过采用先进的显微结构分析技术，如扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM），我们能够获取材料截面的高分辨图像，揭示碳纤维的分布密度、排列方式以及与基体的相互作用。
进一步地，我们将探讨碳纤维在复合材料中的层间分布。
层间分布是影响材料弯曲和剪切性能的重要因素。
通过在微观尺度上观察碳纤维在各层之间的位置关系，我们能够了解纤维在复合材料中的层间连接方式，从而为优化设计提供理论依据。
除了静态的微观分布特征，我们还将关注在不同加载条件下碳纤维的微观变形行为。
通过模拟不同应力和应变状态下的碳纤维微观变形，我们能够洞察纤维的拉伸、屈曲、扭转等变形模式，为理解复合材料的宏观性能提供微观机理的解释。
在整个讨论中，我们将引入相关的专业术语，如纤维体积分数、取向分布、截面形态等，以确保对碳纤维微观分布特征的描述准确而全面。
压力容器设备壁厚优化设计
压力容器设备壁厚优化设计发表时间：2019-11-20T10:05:46.063Z 来源：《基层建设》2019年第24期作者：宰云永[导读] 摘要：压力容器设备广泛应用于各种行业，如机械、化学、石化等。
迈安德集团有限公司江苏扬州 225100摘要：压力容器设备广泛应用于各种行业，如机械、化学、石化等。
在传统的设计方法中，设计者总是利用设备壁厚的增加来确保其安全性，设计标准也使用“弹性”原理和薄膜理论来使用第一理论力和经验计算公式来设计加压容器设备。
关键词：压力容器；设备壁厚；设计分析引言压力容器设备壁厚的优化必须得到保证，并可作为优化设计的主要目标。
在这个过程中，可以应用第一强度理论和经验计算公式来获得更有效的应用。
在保证强度和刚度的前提下，确保材料的使用大大减少，并符合轻质标准。
1设备壁厚优化设计理论优化设计的基本原理是通过建立优化设计模型，利用各种优化计算方法来满足设计要求的约束条件下进行迭代运算，从而求得目标函数的极值，得到最优设计结果。
优化设计的数学模型可进行如下表示[1]：ìíîïïïïminF（）X=F（X1，X2，…，Xn）gi（X）=gi（X1，X2，…，Xn）≥0hj（）X=hj（）X1，X2，…，Xn=0X=（）X1，X2，…在xnt（1）公式中：f（x）是目标函数，gi（x）是约束函数，x是由优化设计变量组成的集合的矢量。
优化设计是求解满足应力特征的目标特征的极值。
这种传统的计算方法适用于简单的小型结构，但对于大型和大型元素模型的复杂结构，很难或不可能获得目标函数和状态变量的数学表达式。
要将优化设计与有限元方法结合起来，必须在目标函数和状态变量之间提供明确的表达式，可通过调整以下内容来实现：H=a0+∑i=1naiXi+∑i=1naiXi2+∑i=1n-1∑j=1ncijXiXj（2）式中：Xi（i=1，2，…，n）为设计变量。
复合材料气瓶的结构、性能和应用研究
复合材料气瓶的结构、性能和应用研究冯刚【摘要】摘要对复合材料气瓶的成型工艺进行介绍,阐述了国内外复合气瓶的应用进展,并介绍了复合材料气瓶的结构和性能研究.【期刊名称】工程塑料应用【年(卷),期】2011(039)007【总页数】3【关键词】关键词复合材料气瓶结构有限元分析压力容器是化工、机械、原子能、轻工、航天、冶金、海洋开发等领域普遍采用的一种重要设备,以往大多采用金属材料加工制造,如钢瓶、钛合金气瓶等[1].为了最大限度地减轻气瓶质量,科技人员开始将金属气瓶转为纤维缠绕的复合材料气瓶[2].1 复合材料气瓶的分类复合材料气瓶一般采用两种分类方法,一是按照应用领域分为:(1)作为天然气燃料汽车的压缩天然气(CNG)贮罐;(2)应用于呼吸器系统,包括背负式呼吸器、小型呼吸器以及逃生用的呼吸面具;(3)应用于航空或航海,主要包括逃生滑梯冲气装置和航空吸氧装置[3].二是按内胆材料和增强材料分类:按内胆材料可分为金属内胆缠绕气瓶和塑料内胆缠绕气瓶;还可按增强材料分为高强玻璃纤维缠绕气瓶、碳纤维缠绕气瓶、芳纶纤维缠绕气瓶.由于铝内胆具有密封性好、抗疲劳能力强、循环寿命长、稳定性高及质量轻等优点,目前在碳纤维缠绕气瓶中得到了广泛的应用[4].2 复合材料气瓶的成型工艺复合材料气瓶的成型包括内衬的制造和纤维增强复合材料层缠绕成型.现以铝内胆碳纤维缠绕复合材料气瓶为例,说明其制造工艺,如图l所示.内衬的制造主要包括金属板热压、拉伸、旋压、热处理、后加工、检验等工序,可以参照GB/T 11640-2001《铝合金无缝气瓶》标准.纤维缠绕成型工艺是指采用连续纤维经过树脂浸胶或采用预浸胶纤维,按照一定的规律缠绕到芯模上,然后在加热或常温下固化,按照一定条件的修整,制成一定形状制品的一种生产工艺.3 国内外复合材料气瓶的应用进展3.1 国外研究进展气瓶的研制己经有50多年的历史,国外对复合材料气瓶的研究最早开始于20世纪50～60年代,主要用于国防和航空、航天领域,如军用飞机喷射系统,紧急动力系统和发动机重新启动应用系统使用的复合材料气瓶,以及航空试验室的氧气罐和导弹系统的压力源[5].制造复合材料气瓶是一项高技术,它吸引了国外技术力量雄厚的纤维缠绕大公司投入力量来开发,如美国著名的火箭及纤维缠绕壳体公司Thiokol公司,美国Brunswick军工企业等.他们利用自身的设备、技术、人才及军工生产方面的经验和优势,试图在气瓶的开发生产中占有一席之地,无疑这将推动气瓶制造技术快速发展[6].早期的复合材料气瓶采用玻璃纤维浸渍环氧树脂缠绕于橡胶内胆上,虽然其质量比钢质气瓶轻,但由于玻璃纤维复合材料的强度及静态疲劳寿命较低,气体渗透率较大,设计时需要采用较高的安全系数[7]才能保证其可靠性.20世纪60年代,复合材料气瓶中开始使用金属内胆.如果内胆足够厚,允许纤维全缠绕或环向缠绕增强,那么采用金属内胆的复合气瓶渗透率要比采用橡胶内胆的气瓶低得多,但前者的疲劳寿命却受到限制[7].20世纪70年代,复合材料气瓶在商用系统中的应用大大增加,玻璃纤维和芳纶纤维缠绕于铝内胆或钢内胆上[7],用于消防呼吸器和民用飞机滑梯充气,以及相类似的气瓶用于海军救生筏充气.3.2 国内研究进展和现状我国研究气瓶开始比较晚,在新材料的应用上经历了和国外相似的历程,目前国外有的新材料我国大都有产品或正在进行研制.但是我国研制的气瓶品种单一、性能较差、制造工艺和设备相对较为落后,这和我国的基础工业水平较差和工艺水平落后有着很大关系.目前我国除玻璃纤维/环氧复合材料气瓶进行工程应用外,其它类型的纤维增强复合材料气瓶虽然也开展了大量研究,但离工程化应用还有很大距离.现有的高性能有机纤维、碳纤维还需依靠进口,这也制约了我国复合材料气瓶技术的发展[8].在我国,有很多公司和院校投入大量资金和人力对复合材料气瓶进行各方面的研究.目前国内复合材料气瓶的生产单位主要有北京天海工业有限公司、西安向阳气瓶有限公司、四川自贡格瑞复合材料公司、沈阳中复科金压力容器有限公司和北京航空制造工程研究所.其中北京天海工业有限公司能设计、生产种类繁多的气瓶,已有7条生产线,年产100万只气瓶.其中一条就是从美国引进的纤维缠绕气瓶及呼吸气瓶生产线.该公司生产车用压缩天然气、机动车用液化石油气钢瓶和缠绕气瓶.钢质缠绕气瓶已取得美国NGV2-2000标准设计和制造许可证.现在市面出租车上所用的CNG气瓶,多是"天海"的钢质内胆外加环向纤维缠绕形式的气瓶.纤维采用的是玻璃纤维,基体用环氧树脂.沈阳中复科金压力容器有限公司的主导产品有碳纤维缠绕气瓶和缠绕气瓶用铝合金内胆.仅铝合金内胆而言,从1.4 L到20 L就有14个规格之多.四川自贡格瑞复合材料公司引进德国BSD设备和技术,于2000年6月生产CNG复合材料气瓶,年生产能力为5万只(按复合材料气瓶计算).自贡久大盐业集团公司、中国节能投资公司、哈尔滨玻璃钢研究所等为该公司的股东.哈尔滨玻璃钢研究所能提供四工位微机控制的气瓶专用缠绕机[9-10].另外国内的一些高校也投入到复合材料气瓶的研究中,哈尔滨工业大学下属的复合材料研究所,在气瓶复合材料层的黏弹性结构关系上做了大量研究,综合考虑了固化度、化学反应热、纤维张力、树脂黏度和固化反应等因素对外纤维缠绕层的影响,建立了固化过程中树脂的流动模型,并根据复合材料特有的性质建立了合理的气瓶模型.南京航空航天大学对全复合材料气瓶做了市场考察,在技术可行性方面提出全复合材料气瓶的关键技术是疲劳设计技术和制造技术.北京玻璃钢研究院在全复合材料气瓶的研制方面,将内胆采用了变壁厚的设计,使气瓶结构更加合理.另外武汉理工大学有自行研制的张力、含胶量微机控制系统;有高压气瓶纤维缠绕设备和工艺一体化制造技术.四川大学科技园也发出复合材料高压(CNG 气瓶)容器生产线招商消息.4 国内外复合材料气瓶性能和结构的研究情况目前,国外复合材料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上.Krikanov[11]采用数值方法,考虑了封头强度必须由螺旋缠绕层来提供,并用层合板参数进行了压力容器优化,并结合实验进行了优化设计.M.W.K.Rosenow[12]利用经典层合理论分析了薄壁复合容器的缠绕角度在15°～85°之间变化时的应力应变;对于环向应力和轴向应力之比等于2的圆筒形容器,均衡性缠绕角最优值为55°.M.Z.Kabir[l3]把内衬视为理想塑性材料,而缠绕层视为弹性材料,研究了容器的等应力封头应力分布,同时又利用接触单元研究了纤维层与内衬界面应力分布问题.Adali等[l4]则应用弹性理论和Tsai-Wu破坏准则来计算容器的最大破坏压力,在此基础上采用鲁邦多维法进行了优化分析.Chamis等[15]研究了复合容器的断裂破坏问题.Ahlstrom[16]研究了复合容器的形状优化问题,并优化了纤维缠绕角.Martin[17]利用膜应力理论对复合容器进行了优化设计.国内的研究主要在结构设计以及数值模拟方面.陈汝训[18]对复合材料压力容器进行了设计,给出了具有衬里的纤维缠绕压力容器纤维厚度的设计计算方法;通过对具有内衬的压力容器的分析,提出了如果内衬选取塑性性能较高的材料时,可实现内衬和纤维缠绕壳体同时破坏,以提高壳体的承载能力;并指出对于具有内衬的厚壁纤维缠绕压力容器的分析是不能采用网格理论的.许贤泽等[19-20]对纤维缠绕复合材料气瓶壳体进行了弹性和弹塑性分析.刑志敏[9]分析了气瓶的弹性力学几何方程、气瓶的内力等;采用非电量电测法分别对复合材料气瓶和内衬铝胆的应变进行测试,并得出其应变分布曲线,分析出复合材料气瓶在压力加载下的轴向应变和环向应变主要发生在筒身部分,在封头和过渡区域的应变比较小;并利用AN-SYS对复合材料气瓶及其铝胆进行建模和分析计算,得出铝胆的工作应力水平是影响复合材料CNG气瓶工作性能的关键因素之一.许贤泽和刑志敏还对气瓶的破坏机理进行了探究和分析.苏文献等[21]对CNG燃料汽车气瓶进行了水压试验,同时进行了爆破试验,预测出该气瓶的实际爆破压力.结果证明,有限元分析结果与实际情况吻合得较好.嵇醒等[22-23]讨论了对复合材料气瓶采用预紧工艺的必要性及其实现方法,并使用有限元分析软件分析了预紧压力对工作压力下气瓶应力的影响,得出预紧压力可以降低工作压力下气瓶的应力水平和提高气瓶的疲劳寿命[24].5 结语复合材料气瓶属于朝阳产业,目前正方兴未艾.国内外在复合材料气瓶的研究方面都投入了很大的人力和物力,我国的复合材料气瓶产业刚刚起步,目前还存在很多问题.但是我国的纤维缠绕技术有深厚的根基,把纤维缠绕技术和其它技术相结合,另外加强Ansys软件在复合材料气瓶方面的应用,在不久的将来便会收获成就和喜悦.参考文献[1]王明寅,刘文博,王士巍,等.复合材料高压氮气气瓶的结构设计与试验分析[J].纤维复合材料,2003,32(2):53-54.[2]赵颖.复合气瓶的界面及缠绕方式研究[D].辽宁:辽宁工程技术大学,2002.[3]解越美,谭轶谦.复合材料气瓶在美国的现状及发展[J].锅炉压力容器安全技术,2002,24(6):15-17.[4]张克铜.空气呼吸器复合气瓶及定期检验[J].中国个体防护装备,2009,17(5):40-44.[5]周海成,阮海东.纤维缠绕复合材料气瓶的发展及其标准情况[J].压力容器,2004,21(9):32-36.[6]张璇.铝合金内胆碳纤维缠绕气瓶结构分析与研究[D].长沙:国防科技大学,2007.[7]Vey R,Cederbergar,Schimentijd.Design and analysis techniques for composite pressure tankage with plastically operating aluminum liners,AIAA29022345[R].New York:AIAA,1990.[8]张洁.国内复合材料气瓶发展及气瓶标准概况[J].纤维复合材料,2007,36(3):39-42.[9]邢志敏.复合材料CNG气瓶的力学性能研究[D].北京.北方工业大学,2005.[10]周海成,阮海东.纤维缠绕复合材料气瓶的发展及其标准情况[J].压力容器,2004,21(9):32-36.[11]Krikanov.Minimum weight design of pressure vessel with constraints on stiffness and strength[C].Proceedings of the 10th ASC Technical Conference on Composite material.Santa Monica,CA,1995:107-113. [12]Rosenow M W K.Wind angle effects in glass fiber-reinforced polyester filament wound pipes[J].Composite,1984,15:144-152.[13]Kabir M Z.Finite element analysis of composite pressure vessels witha load sharing metallic liner[J].Composite Structrues,1992,20(1):53-62.[14]Adali,Sarp.Optimization of multilayered composite pressure vessels using exact elasticity solution[C].American Society of Mechanical Engineers,Pressure Vessels and Piping Division,1996,1302:203-212. [15]Chamis,Christos C.Progressive fracture and damage tolerance of composite pressure vessels[J].Journal of Advanced Material,1998,30(1):22-26.[16]Ahlstrom.Shape optimization of openings in composite pressure vessels[J].Composite Structures,1992,20(1):53-62.[17]Martin.Optimal design of filament wound composite pressure vessels[C].Proceedings of the International Offshore Mechanics andArctic Engineering Symposium,1998:25-29.[18]陈汝训.复合材料天然气气瓶设计的几个问题[J].宇航材料工艺,2001,31(5):55-57.[19]许贤泽.纤维缠绕复合材料壳体设计[D].武汉:武汉理工大学,2001.[20]胡俊.具有承载内衬的FW厚壁容器的结构分析[D].武汉:武汉理工大学,2003.[21]苏文献,祝彦寿,马宁,等.车用压缩天然气全缠绕复合材料气瓶强度试验及数值模拟[J].上海理工大学学报,2010,32(2):174-178.[22]嵇醒,顾星若.碳纤维缠绕铝内胆气瓶的有限元应力分析[J].中国气瓶,2002,38(l):31-32.[23]黄再满,蒋鞠慧,薛忠民,等.复合材料天然气气瓶预紧压力的研究[J].玻璃钢/复合材料,2001,28(9):29-32.[24]李鹏.全缠绕复合气瓶有限元参数化研究[D].武汉:武汉理工大学,2007.。
基于PythonAbaqus复合材料代表性体积元的数值模型
基于PythonAbaqus复合材料代表性体积元的数值模型一、本文概述随着复合材料在工程领域中的广泛应用，对其性能预测和优化的需求也日益增长。
复合材料由多种不同性质的组分材料组成，其性能不仅取决于各组分的性质，更与组分之间的相互作用和排布方式密切相关。
因此，建立能够准确反映复合材料宏观性能的数值模型，对于理解其力学行为、预测其性能表现以及优化其设计具有重要意义。
本文旨在探讨基于Python和Abaqus的复合材料代表性体积元（Representative Volume Element, RVE）数值模型的建立与应用。
我们将介绍复合材料RVE模型的基本原理和重要性，阐述其在复合材料性能预测中的关键作用。
接着，我们将详细介绍如何使用Python 编程语言和Abaqus有限元分析软件，构建复合材料的RVE模型。
在这一过程中，我们将涵盖模型建立的关键步骤，包括材料属性的定义、几何模型的建立、边界条件的设置以及求解过程的实现。
本文还将探讨如何对建立的RVE模型进行验证和校准，以确保其能够准确反映复合材料的实际性能。
我们将介绍一些常用的验证方法和技术，包括与实验结果的对比、模型预测精度的评估等。
我们将通过一些具体的案例，展示基于Python和Abaqus的复合材料RVE模型在预测复合材料性能、分析材料失效模式以及优化材料设计等方面的实际应用。
本文旨在为从事复合材料研究的学者和工程师提供一个有效的数值建模工具和方法，以帮助他们更好地理解和预测复合材料的力学行为，优化材料设计，推动复合材料在工程领域的应用和发展。
二、复合材料基础知识复合材料是由两种或两种以上具有不同物理和化学性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观尺度上组成具有新性能的材料。
这种材料在保持各组成材料主要特点的基础上，通过复合效应获得单一材料难以达到的综合性能，如更高的强度、更好的刚度、更低的密度、更高的耐温性能、更好的电磁性能等。
复合材料的性能不仅与组成材料的性能有关，而且与各组分材料的含量、分布、界面结合状态以及复合工艺等因素密切相关。
国内外复合材料气瓶发展概况与标准分析
国内外复合材料气瓶发展概况与标准分析（二）于斌1，刘志栋1，赵为伟2，申健2，靳庆臣1，栗刚1，程彬1（1．兰州空间技术物理研究所航天压力容器研制中心，甘肃兰州730000；2．空军驻甘肃军代表室，甘肃兰州730000）摘要：复合材料气瓶在航天、航空和民用领域都有着广泛的应用，对复合材料气瓶的研制进展和典型应用进行了简要介绍，并分析了复合材料气瓶及其成型工艺的发展趋势，综述了航天、航空和民用领域复合材料气瓶标准的发展概况，并针对我国复合气瓶标准制定面临的问题进行了分析。
关键词：复合材料气瓶；标准；金属内衬；纤维缠绕；应力断裂；疲劳循环中图分类号：TH49；TG435；T－65文献标识码：B文章编号：1001－4837（2011）12－0034－07doi：10．3969/j．issn．1001－4837．2011．12．007Development of World－wide Composite Gas Cylinder andAnalysis of Chinese COPV Standard（2）YU Bin1，LIU Zhi－dong1，ZHAO Wei－wei2，SHEN Jian2，JIN Qing－chen1，LI Gang1，CHENG Bin1（1．Lanzhou Institute of Physics，Aerospace Pressure Vessel Research Center，Lanzhou730000，China；2．Gansu Military Representative Office of the Aviation，Lanzhou730000，China）Abstract：Composite gas cylinders are widely used in aerospace，aviation and civil field，the study devel-opment and representative application of composite gas cylinders were briefly introduced，and the develop-ment trend and the manufacture process was analyzed，the present status of the standard in these fields was summarized，the problem of standard establishment in China was analyzed．Key words：composite gas cylinders；standard；metal liner；filament－wound；stress－rupture；cycle fa-tigue（接上期）2．2航空领域航空工业部301所针对航空用金属气瓶研制推出了HB6134—87《航空气瓶通用技术条件》，对金属气瓶结构设计、材料选择、工艺控制、试验方法和检验要求提出了较为全面的指导，对航空用复合材料气瓶环境适应性设计起到一定的借鉴作用。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
复合材料压力容器的可靠性优化设计研
究
摘 要：由于复合材料结构自身以及其在实际工程中需要承受的载荷均具有
很强的不确定性，在对这种不确定性进行考虑时首先是对常见的不确定性进行考
虑，通过概率可靠性对复合材料结构展开随机可靠性分析，然后以随机可靠度作
为对复合材料容器进行优化的主要依据，从而对其进行优化设计。
关键词：复合材料；压力容器；随机可靠性分析；优化设计
由于复合材料自身具备较多的优点，所以目前在我国的各个领域中都得到了
广泛的应用，但是因复合材料结构的内部构成成分较为复杂，这使复合材料与其
他材料相比，具有更强的不确定性。不确定性问题其实也是随机性问题，因而在
对其进行随机分析时，首要的工作就是确定好每一个随机参数的概率密度函数，
这时就需要对概率信息进行统计，并将这些数据作为确定概率密度函数的主要依
据，通过分析就能预测出复合结构压力容器的可靠性，从而为符合机构压力容器
优化设计工作提供科学的指导。
1.压力容器模型及可靠性分析依据
1.1压力容器模型
在构建压力容器壳体结构模型时，可以采用有线元分析软件中的某一单元类
型进行构建，压力容器结构的具体参数如下：T800碳纤维、总计8层的正交铺设，
层的厚度为1mm，球形的封头直径约为350mm，筒体段是外径为350mm、长为
500mm的圆柱，内压的载荷应设计为3.2MPa。因为压力容器是一个对称的模型，
所以在进行计算时为了避免计算时间过长，所以可以利用限元模型的1/2来完成
分析和计算工作，同时还需对球形封头的顶端进行固定和约束。另外，后续在进
行蒙特卡洛模拟时还需多次迭代，值此期间为了能够有效地提升计算速度，那么
就必须选择较为合理的有限元网格数量，再利用最大环向应变值与之进行比较，
通过比较后可以发现选用2000个网格对有限元模型进行划分最为合适，而且以
这种划分方式进行划分得到的结果准确性更高，也更为保守，出现结构实效的可
能性也较小。
1.2可靠性分析依据
环向位移发生的部位一般是在具有固定直径的直筒段或不具备固定直径的球
形封头与直筒段相互结合的位置上，而最大环向位移更容易发生在曲率半径出现
变化的位置上，所以在这个位置上更容易出现结构实效的情况。一般情况下，应
力和应变的变化趋势几乎和环向位移的变化趋势是完全相同的。因此，在进行可
靠性分析时可以将环向最大总应变作为主要的分析依据，只有计算所得结果数值
小于许用值时，就能计算出较为准确的可靠度。
2.基于有线元分析软件的压力容器可靠性分析
利用有线元分析软件进行优化设计时，需要构建参数化有限元分析文件包，
构建的内容包括单元类型的选择、材料特性参数的选择、模型的建立、实常数的
输入、确定荷载。
蒙特卡洛模拟法是一种数学方法，其在应用过程中主要是以统计学原理为依
据去解决相关问题，同时也是衡量随机可靠性结果准确性的唯一方法。
在实际的工程中，出于对结构所承受的外部荷载力、自身结构参数、弹性模
量参数、剪切模量参数以及内压力载荷等方面的考虑，可以默认所有参数均服从
正态分布，在极限状态下的函数应为：
Z（X）=es-e
max
当Z（X）值小于0时，则为失效状态，所以该结构的可靠度一般是Z（X）
大于0时的概率，es代表着复合材料层合板在设计载荷作用下的拉伸应变，e
max
则代表环向最大总应变。
在对环向最大总应变进行5000次的模拟计算后，当迭代的次数达到3750次
之后的环向最大总应变就不会发生变化，几乎处于保持不变的状态，此时也代表
迭代次数的数量已经足够充分，所以为了使精度和计算率都能得到提高，在后续
的模拟中可以将迭代的次数设置为4000次。
1. 优化设计的基本原理
优化设计作为近几年出现的一门新兴学科，在解决某些复杂的问题时，能够
以一种定量的方式从很多的设计方案中找到最为合适的设计方案，所以在工程实
际中的应用频率也越来越高。优化设计是在数学规划和计算机作用下形成的一种
产物，在优化的过程中可以将设计变量表示成产品的性能指标或运动参数指标，
这些指标也被称作目标函数，而那些具有限制范围功能的其他附加条件则被称作
约束条件。因此，我们可以将优化设计视为是一个寻找目标函数，且将设计变量
进行随机组合的一种数学方法。所以在进行优化设计时，最重要的工作就是将目
前存在的设计问题转化成优化设计的数学模型。
4.基于可靠度的优化设计
在开展优化分析工作之前，必须要对输入参数的灵敏度进行分析，从而找出
对结果造成较大影响的输入参数，对于那些影响较小的参数，我们可以予以忽略，
这样才能确保计算效率得到有效的提升。通常情况下，对于那些灵敏度大于2.5%
的参数会被称作显著影响参数，而那些灵敏度小于2.5%参数，则在计算时可以忽
略不计。通过对输入参数的灵敏度进行分析发现，输入参数Ex、p、h都是显著影
响因素，其中Ex、h呈现着负相关性，p则呈现出了正相关性，其它参数可以忽
略不计。
在进行优化设计时，Ex是一个设计便梁，p是状态变量，h则是目标变量。
内压力载荷p应为3.2MPa，通过10的迭代之后，就会得到相应的优化结果，
然后再将优化结果代入到可靠性模型进行验证与分析，通过验证之后，发现可靠
度高达99%。在优化结果中发现h的数值要比最初的单层厚度要小，这样就能使
材料力学性能够得到充分的发挥，以此为基础，不仅能够节省材料，还能最大程
度的满足在可靠性方面的要求。
结束语：
综上所述，在复合材料压力容器的安全性能够得到保证的基本前提下，提高
其自身的经济适用性可谓是一个非常重要的要求，本文以随机可靠性设计作为理
论依据，通过蒙特卡洛模拟法构建了相应的数学模型，找到了对复合材料压力容
器进行可靠性优化设计的方法，这样不仅能够有效降低在材料方面的消耗量，还
能降低制造的成本，从而具有较为可观的经济效益。
参考文献
[1]陈建桥, 郭细伟, 葛锐. 基于ANSYS-PSO方法的复合材料压力容器可靠
性优化设计[J].中国力学学会学术大会, 2019(10):87-88.
[2]于斌, 刘志栋, 靳庆臣,等. 国内外空间复合材料压力容器研究进展及发
展趋势分析(一)[J]. 压力容器, 2021(04):239-240.
[3]林峰, 王宇, 韩旭. 复合材料回转结构可靠性预测及优化设计[J]. 科技
创新导报, 2019(06):154-155.