碳纖維復(fù)合材料壓力容器的設(shè)計(jì)需求
碳纖維材料在工業(yè)制造上可謂多點(diǎn)開花，出色的力學(xué)性能為提高工業(yè)產(chǎn)能提供了助力。壓力容器是工業(yè)上常用的一種設(shè)備，那你知道碳纖維壓力容器么？智上新材料帶你了解一下碳纖維壓力容器的知識(shí)。
碳纖維復(fù)合材料壓力容器常識(shí)介紹
碳纖維復(fù)合材料制成的壓力容器有哪些呢？醫(yī)療呼吸器系統(tǒng)里就有，家用氧氣呼吸器，消防自給式正壓空氣呼吸器，救援用壓縮氧氣循環(huán)式呼吸器；航空航天里也有，如飛機(jī)逃生滑梯充氣裝置，彈射座椅；新能源汽車行業(yè)里也有，如鋼內(nèi)膽碳纖維環(huán)向纏繞鋼復(fù)合材料氣瓶（CNG-2）、鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞復(fù)合材料氣瓶（CNG-3）、塑料內(nèi)膽全纏繞復(fù)合材料氣瓶（CNG-4）等壓縮天然氣儲(chǔ)氣瓶、高壓儲(chǔ)氫氣壓力容器等。
碳纖維復(fù)合材料壓力容器通常由內(nèi)襯層和碳纖維復(fù)合材料層組成，內(nèi)襯層主要負(fù)責(zé)存儲(chǔ)、防漏和防化學(xué)腐蝕，而碳纖維復(fù)合材料層主要負(fù)責(zé)承載氣體。碳纖維復(fù)合材料具有超強(qiáng)的抗拉強(qiáng)度，面對(duì)氣體壓力載荷時(shí)，比金屬材料更加得心應(yīng)手。
碳纖維復(fù)合材料壓力容器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
為了提高壓力容器的力學(xué)性能、縮短制造周期和降低成本，需要根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)理論和標(biāo)準(zhǔn)對(duì)復(fù)合材料壓力容器進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。采取非測(cè)地線纏繞成型方法設(shè)計(jì)T800碳纖維復(fù)合材料球形壓力容器，基于離散函數(shù)建立有限元模型，對(duì)其應(yīng)力分布和極限強(qiáng)度進(jìn)行模擬分析，進(jìn)一步根據(jù)最大應(yīng)力準(zhǔn)則預(yù)測(cè)其爆破壓力并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬預(yù)測(cè)一致，為纖維纏繞球形壓力容器的設(shè)計(jì)提供了參考。
利用網(wǎng)格理論和有限元模型對(duì)碳纖維纏繞超高壓前混合磨料罐進(jìn)行設(shè)計(jì)，將傳統(tǒng)磨料罐的質(zhì)量降低了80%，且其罐體的受力性能更佳。針對(duì)高強(qiáng)中模T800碳纖維研究應(yīng)用較少的現(xiàn)狀，采用干法纏繞成型工藝獲得不同直徑的T800碳纖維全纏繞復(fù)合材料壓力容器，為高性能T800碳纖維的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用奠定了理論與實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
碳纖維纏繞層是復(fù)合材料壓力容器主要的壓力承載體，較大程度上決定了壓力容器的質(zhì)量高低及其安全性與可靠性，因而其設(shè)計(jì)至關(guān)重要，主要包括纏繞角度、纏繞張力及纖維層厚度等方面。
通過比較不同纏繞角度對(duì)碳纖維復(fù)合材料壓力容器受力情況的影響，根據(jù)最大應(yīng)變準(zhǔn)則、最大應(yīng)力準(zhǔn)則和失效準(zhǔn)則進(jìn)行失效判定，發(fā)現(xiàn)纖維纏繞角度為51°時(shí)壓力容器的性能明顯優(yōu)于其他纏繞角度壓力容器。
基于薄膜理論、網(wǎng)格理論以及纏繞原理，采取非測(cè)地線纏繞模式對(duì)碳纖維纏繞參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，利用對(duì)切點(diǎn)數(shù)及砂片寬度對(duì)非測(cè)地線纏繞的影響進(jìn)行評(píng)估，得到最優(yōu)的纏繞參數(shù)，以保證纖維的穩(wěn)定性和均勻性，最后利用有限元模型分析纏繞參數(shù)對(duì)內(nèi)襯和纖維層應(yīng)力分布的影響并預(yù)測(cè)爆破壓力，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算一致。
