碳纤维压力容器的性能和失效准则分析

  20世纪80年代中期生产出了高强度复合材料,性能优越的复合材料与低费用无焊缝铝内衬制造技术结合,使得费用低,质量轻、可靠性高的高压容器生产变为现实。在压力容器材料成型过程中,混杂复合材料使复合材料设计自由度进一步扩大,通过合理选用多种纤维混杂,可以得到综合性能优异的压力容器。

  1.力学性能分析:

  复合材料层合壳体具有与均匀各向异性壳体同样的曲面几何性质。复合材料结构的力学分析,涉及的因素很多,问题复杂,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。将铺层作为结构来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)边界元法

  对于解决复合材料压力容器的边界问题,如边界效应问题与无界区域问题有独特之处。

  (3)应力杂交元法

  2.复合材料失效准则

  复合材料压力容器的失效准则主要是指铺层的失效准则,研究因外力作用(应力状态)和由材料本身固有性质所决定的因索引起的容器材料破坏,仅仅作为容器失效的判据。

(1) 最大应力失效准则

材料在复杂应力状态下进入破坏是由于其某个应力分量达到了材料相应的基本强度值。

(2) 最大应变失效准则

材料在复杂应力状态下进入破坏是由于材料各正轴方向的应变值达到了各基本强度值所对应的应变值。

(3) 二次型失效准则

  该准则在Tresca和Mises准则的基础上引进了各向异性系数后由德国数学力学家R. Hill得出,只适用于拉压强度相等的材料。后来围绕这一理论又出现了J.Marin准则(只适用于主应力方向和材料主轴方向重合的情况),Tsai-Hill准则和Hofman准则等。