碳纤维复合材料压力容器的应力分析

  根据碳纤维复合材料压力容器的结构特点,容器为轴对称结构,且受压均匀,复合材料层合壳体具有与均匀各向异性壳体同样的曲面儿何性质。在物性方面,是沿厚度逐层间断变化的非均匀材料,对于连续纤维增强层合壳体,现有铺层工艺方法除了对圆柱形壳体外,均难以做到使纤维均匀分布或保持相同铺设角,因而导致有效弹性常数沿壳体中面为非均匀的变弹性常数问题。上述层合壳体的几何与物理特性,使其理论分析十分困难,目前研究较为充分的仅集中于圆柱形壳体和扁壳的线性经典理论,并主要是对称层合壳体。

  碳纤维复合材料结构的力学分析,涉及的因素很多,除了一些特殊的和简单的问题可以采用解析法求解外,其它的问题很难或不可能用解析法求解,需要采用数值方法。复合材料压力容器可用的数值分析方法有:

  (1)有限元位移法。这是应用最广泛、最有效的数值.解法。有限元分析表明:复合材料薄壁压力容器简身部位基木处于薄膜应力状态,但在封头部位处于复杂鹿力状态。在处理方法上,与通常的金属结构相比,离散方法和弹性常数矩阵不同。将铺层作为结构來分析的细观有限元法将基体和增强材料分开,引进不同的材料常数,采用分区的方法,将所考虑的整个铺层分成若干区域,在每一区域中再划分单元,同一区域中的材料常数是一定的。将增强材料与基体复合在一起的宏观有限元法分为以铺层为分析单元的铺层有限元法和以层合板为分析单元的层合板有限元法。前者包括沿表面的结构离散和沿厚度方向的铺层离散,后者类似于通常各向同性材料的结构离散。

  (2)应力杂交元法。在单元内部假定一个应力场,而在单元边界上另外采用一个协调的位移场,用最小余能原理求得单元刚度矩阵,应用较为方便,具有较大的实用价值。

  (3)边界元法。对于解决复合材料压力容器的边界效应问题与无界区域问题有独特之处。

  (4)有限元混合法。是以部分节点位移和部分节点力为基本未知量的有限元法,计算工作量小,系统误差较小,但方程复杂,求解困难,故使用不多。