钛内衬复合材料环形气瓶结构设计与优化

材料工程, 2016, 44(2): 56-62. doi: 10.11868/j.issn.1001-4381.2016.02.009

钛内衬复合材料环形气瓶结构设计与优化

祖磊 ^1, , 汪洋 ^2, , 王继辉 ^3, , 李书欣 ^4, , 王路 ^5, , 谢丽婷 ^6,

1.武汉理工大学材料科学与工程学院,武汉,430070

2.武汉理工大学材料科学与工程学院,武汉,430070

3.武汉理工大学材料科学与工程学院,武汉,430070

4.武汉理工大学材料科学与工程学院,武汉,430070

5.武汉理工大学材料科学与工程学院,武汉,430070

6.武汉理工大学材料科学与工程学院,武汉,430070

基金项目: 陕西省自然科学基础研究计划资助项目(2013JQ6018) 国家自然科学基金(11302168) 中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(143101001) 湖北省自然科学基金(2014CFB140)

关键词：复合材料 , 纤维缠绕 , 环形气瓶 , 测地线 , 结构设计

Structural Design and Optimization of Titanium-lined Composite Toroidal Pressure Vessels

Keywords： composite material , filament winding , toroidal pressure vessel , geodesic , structural design

根据微分几何,推导环形气瓶测地线缠绕轨迹以及缠绕角应满足的稳定缠绕条件,并针对不同切点数进行线型轨迹仿真.基于有限元分析,针对钛合金内衬环形气瓶的初始缠绕角及缠绕层数进行优化设计,并评估对比有、无环向补强层的环形气瓶承载能力.结果表明:本文设计的测地线轨迹精确可靠,很好地满足环形气瓶的缠绕工艺性.优化设计的缠绕参数既满足T艺可缠性,又能提高环形气瓶的结构性能.此外,有环向补强层的气瓶爆破强度提高了l4％,钛合金内衬屈服强度提高了24.8％.因此,采用环向补强层有利于进一步提高环形气瓶的承载性能.水压实验结果表明本文设计方法预测的变形和爆破压力与实验值吻合良好.

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