复合材料压力容器热力耦合应力分析.pdf

大连理工大学学位论文独创性声明作者郑重声明:所明引呈交的学位论文,是本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知,除文中已经注用内容和致谢的地方外, 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果,也不包含其他已申请学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。若有不实之处,本人愿意承担相关法律责任。学位论文题目: 锰挞扭匡盘窒墨垫盘拦秘鱼巫作者签名: 亟骞吼业年上月王日大连理工大学硕士学位论文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,结复合材料压力容器热力耦合应力分析果表明: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。关键词:压力容器;复合材料;热力耦合分析;纤维缠绕;有限元大连理工大学硕士学位论文 StressAnalysis posite Pressure Vessels under InternalPressure and rn1emoerature LOadS Abstract The pressure vessel is akindofspecial equipment that callpossibly cause accidents such asexplosion and design,manufacture,inspection eptance ofpressure vessel need tobestrictly based on ,the existing pressure vessel design codes require thatthe vesselmaterials must behomogeneous,describing the stress level ofthe entire vessel withmembrane ,for non-posite pressure vessels,such posite steelpressure vessel,filament wound pressure vessel and pressure