论文总字数：27663字

摘 要

随着中国工业的快速发展，以增强内衬金属性能来提高压力容器承载能力的方式已不再满足于社会的需求，一方面，高性能的金属材料价格十分昂贵，不利于工业上大规模应用；另一方面，将设备加厚来提高设备的强度的方式使得压力容器愈发沉重，不利于运输。而复合材料凭借其重量轻、韧性好、强度高等一系列优点，在工业应用方面得到了广泛的认可，提升外层缠绕层的性能也成为了提高压力容器强度的另一种有效切实的手段，同时，也使得压力容器愈发轻量化。而在复合材料压力容器的制造过程中，缠绕张力对于容器最终的结构性能影响很大。本文以纤维缠绕筒体为研究对象对这一因素进行研究，并做了如下工作：

（1）基于ABAQUS平台建立复合材料筒体内压作用下的仿真模型，利用Hashin失效准则进行模拟。模拟得出纤维缠绕筒体在21.3MPa的试验压力下产生爆破失效。而同样条件的筒体实验的爆破压力为22.425MPa，两者之间的相对误差为5%，结果基本吻合，验证了模型的的合理性。

（2）通过改变纤维缠绕角度来改变缠绕张力，对纤维缠绕层外表面中间截面处的变形进行了研究，通过计算纤维在线弹性阶段单位压力引起的变形位移的大小，间接观察纤维缠绕张力对于筒体刚度的影响。计算结果表明，纤维缠绕层的变形位移速率随着纤维缠绕张力的增大而增大，即筒体刚度随着纤维缠绕张力的增大而减小。

（3）通过改变纤维缠绕角度来改变缠绕张力，计算各筒体爆破压力的大小，分析其对复合材料筒体强度的影响。在筒体内压逐渐增大到爆破压力时，筒体一侧端面的变形达到最大，失效从端面开始，并逐渐扩大至整个筒体，其中纤维缠绕层中的失效为纤维和基体的拉伸失效。计算结果表明，筒体的强度随着纤维缠绕张力的增大而减小。

关键词：缠绕张力 应力分析 缠绕角度 强度 刚度

Abstract

With the rapid development of Chinese industry, the way to enhance the load-bearing capacity of pressure vessels by enhancing the performance of the lining metal is no longer satisfying the needs of society. On the one hand, high-performance metal materials are very expensive so that it is not conducive to large-scale application. One the other hand, by thickening the equipment to increase the strength of equipment makes the pressure vessels heavier, which is not conducive to transportation. Because of its advantages in weight, toughness and strength, composite materials have been widely used in industry and many other scenes. Improving the performance of outer winding layer has also become another effective and partial means to enhance the strength of pressure vessels, and at the same time, it has made the pressure vessels more lightweight. In the manufacturing process of composite pressure vessels, the winding tension plays a great role in the final structural performance. This article studies this factor by taking the fiber winding cylinder as the research object. And the works are as follows:

(1) Based on the ABAQUS platform, a model under the internal pressure of the composite material cylinder is established to simulate the actual scene. The simulation shows that the fiber-wound cylinder has burst failure under the test pressure of 21.3MPa while at the experiment under the same conditions is 22.425MPa, and the relative error between the two is 5%. The results obtained are compared with the experiment to verify whether the model is reasonable.

(2) By changing the winding angle of the fiber to change the winding tension, the deformation at the middle section of the outer surface of the fiber winding layer was studied. By calculating the magnitude of the deformation displacement caused by the unit pressure of the fiber in the elastic phase, the effect of fiber winding tension on the rigidity of the cylinder is indirectly observed. The calculation results show that the deformation displacement rate of the fiber winding layer increases with the increase of fiber winding tension, that is, the rigidity of the cylinder decreases with the increase of fiber winding tension.

(3) Change the winding tension by changing the fiber winding angle, calculate the bursting

pressure of each cylinder, and analyze its effect on the strength of the composite cylinder. When the internal pressure of the cylinder gradually increases to the burst pressure, the deformation of the end surface on one side of the cylinder reaches the maximum, and the failure starts from the end surface and gradually expands to the entire cylinder. The failure in the fiber winding layer is the tensile failure of the fiber and the matrix. The calculation results show that the strength of the cylinder decreases with the increase of fiber winding tension.

Key words: winding tension; stress analysis; winding angle; strength; rigidity

目 录

摘要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1 纤维缠绕复合材料压力容器优点 1

1.2.2 缠绕张力与缠绕角度的等效关系 2

1.2.3 研究现状 3

1.3 本文主要研究内容及研究方法 5

1.3.1 主要研究内容 5

1.3.2 研究方法 6

1.4 本章小结 6

第二章 纤维缠绕筒体内压试验模型设计分析 7

2.1 引言 7

2.1.1 复合材料压力容器的结构 7

2.1.2 复合材料压力容器的失效准则 7

2.1.3 本章研究任务 8

2.2 纤维缠绕筒体的几何模型 8

2.2.1 筒体几何模型 8

2.2.2 材料属性的定义 9

2.2.3 网格划分 11

2.2.4 载荷与边界条件 11

2.3 计算结果与分析 12

2.4 本章小结 14

第三章 纤维缠绕张力对于筒体刚度的影响 15

3.1 引言 15

3.2 仿真方案 15

3.2.1 缠绕角度 15

3.2.2 刚度分析 15

3.3 计算结果与分析 16

3.4 本章小结 18

第四章 纤维缠绕张力对于筒体强度的影响 19

4.1 引言 19

4.2 仿真方案 19

4.2.1 缠绕角度 19

4.2.2 强度分析 19

4.3 计算结果与分析 20

4.4 本章小结 22

第五章 总结 23

5.1 结论 23

5.2 展望 24

参考文献 25

致谢 30

第一章 绪论

1.1 引言

早期，压力容器是主要由金属材料制成的，主要关注的是内衬金属的性能，而外部的缠绕层仅仅起到保护压力容器的作用，一般不具备承载能力，其性能被忽视^{[1, 2]}。这种压力容器一般较重，而且承载能力有限，而复合材料压力容器在重量、可靠性、失效模式等许多方面具有一系列的优点^[3]。从1950年左右开始，美国率先将复合材料高压容器优秀性能的成果应用到武器上；到了六十年代年，航天航空领域针对轻量化的要求开始采用纤维缠绕金属内衬的压力容器，并在七十年代开始大量应用^[4]。1985年左右，复合材料缠绕技术和铝合金制造技术的协同快速发展，复合材料压力容器在制造时成本更低，在保证设备强度的情况下轻量化的优势越来越明显^[5]。如今，西方的发达国家已经制定了设计、制造和检测复合材料压力容器的一系列标准，在生产和制造上非常具备核心竞争力，中国在这方面的差距随着改革开放的进程不断缩小，在很多领域复合材料压力容器都得到了广泛的应用^[6]。

当前，在复合材料容器制造的过程中，纤维增强层考虑的因素主要有纤维缠绕张力、不同层的铺设顺序、缠绕角度、纤维层厚度、缠绕线型等^[7-9]。纤维典型的各向异性的特点使得缠绕张力在很大程度上影响了筒体结构的性能，进而影响了设备在实际应用过程中承载能力^[10]。因此，纤维缠绕张力对于筒体结构的影响是亟待解决和探索的。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 纤维缠绕复合材料压力容器优点

纤维缠绕复合材料压力容器（Fiber wound composite material pressure vessel）的优点十分明显，具体表现在以下几个方面：1）质量轻、塑性好、强度高；2）金属由于材料的特点，常常没有明显的预兆就发生疲劳失效，复合材料中的增强体与基体的结合不仅能有效地传递载荷，而且能防止复合材料的疲劳破坏裂纹扩展^[11]，大大提高了筒体在断裂时的韧性；3）内压或者外部因素造成局部纤维断裂，整个筒体在短时间内不丧失承载能力，载荷在短时间内快速分布到其它未断裂的纤维上；4） 当复合材料压力容器受到冲击或高速冲击损坏时，纤维层包裹住了内部的危险破裂碎片，提高了产品本身的安全性，减少或避免了人身伤害；5）耐腐蚀能力突出，常常无需表面处理即可满足要求。在各行各业都得到了

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