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纤维拉伸状态对复合压力容器力学性能的影响

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大家五一节日快乐,趁着还没有起床,带大家读一下德国德累斯顿工业大学发表的纤维拉伸状态对复合压力容器力学性能的影响。该论文通过制备不同纤维张力的复合材料压力容器试件,运用有限元分析、爆破压力测试、统计分析等方法,研究发现增加纤维张力虽能提高容器工作压力、纤维体积分数和重量效率,但也带来制造难题,为复合材料压力容器制造工艺优化提供了依据。
 
本文研究内容:制造了三组样品并进行了测试
1.A) 作为参考的钢衬里,B) 低纤维牵引力(3 N)的复合容器,C) 高纤维牵引力(80 N)的容器。
2.详细讨论了制造过程,特别是纤维牵引力及其相关挑战。
3.进行了爆破试验并测量了应变,同时进行了声发射(AE)测试,并对结果进行了统计分析
结论:

1.选择 54°的缠绕角度是因为其最优性已在中通过分析和实验得到了证明。

2.在本研究中,由于材料的线性特性,使用了钢衬里。钢穹顶能够传递高压值,并保证与凸缘的稳定连接。研究区域是容器的圆柱部分。在钢衬里中,圆柱部分以相同的方式变形,这在系列 A 的测试中得到了证实——圆柱上的变形在每个点上都是相似的。材料的线性模型允许对获得的结果进行更详细的分析。可以识别出其他因素的影响,钢衬里的厚度变化与线性模型的方向系数的影响有关。作者在之前的出版物[54]中研究了聚合物衬里,其中展示了出现的非线性问题和结构缺陷。

3.在复合容器生产中,正常纤维张力为 10 N。作者在出版物和其他人的先前研究中表明,使用更高的张力值可能对制造容器的强度产生积极影响。

4.同时,增加的纤维张力给制造过程本身带来了挑战。更高的纤维张力促进了纤维的降解,在制造过程中以及压力容器的表面都能看到纤维磨损的现象。此外,增加的纤维张力提高了纤维放置的敏感性,可能会导致纤维在穹顶上偏离预定路径的风险增加。

5.在爆破试验中,测量了环向和轴向应变。分析区分了线性区域、屈服点和衬里材料的塑性变形区域。通过统计识别这一点及其静态处理,可以确定以下屈服值:对于 3 牛顿和 80 牛顿的拉力,分别为 170 牛顿和 205 牛顿。

6.使用一步均化方法(正六边形单元,周期边界条件可以得到单向复合材料的各向异性均质材料模型。为了更准确的研究,“第二步”均化应该考虑,包括镶嵌图案的微观模型。

7.应用数值分析允许验证复合材料在拉伸状态下的预应力值。

8.模型显示,管道会在焊接区域受损。显示了集中于焊接区域的塑性变形区域。

9.纤维张力参数如预期般增加了体积分数,并且提高了质量效率,但还需要进一步研究来确定纤维张力与体积分数之间的定量关系。

10.对于高纤维张力(80 N)的管路,声发射显示中心区域有更多高幅度事件。从频率响应分析中我们可以得出结论,对于使用高纤维张力(80 N)缠绕的管路,纤维-树脂界面处的缺陷比低纤维张力(3 N)时更多。


来源:气瓶设计的小工程师
复合材料非线性焊接材料试验管道
著作权归作者所有,欢迎分享,未经许可,不得转载
首次发布时间:2025-05-09
最近编辑:9小时前
气瓶设计的小攻城狮
硕士 从事IV储氢气瓶行业。
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