復合材料壓力容器熱力耦合應力分析.pdf

1、壓力容器是一種可能引起爆炸或中毒等危害性較大事故的特種設備，其設計、制造、檢驗與驗收需要嚴格依照相關標準。目前，現行的壓力容器規(guī)范規(guī)定壓力容器材料不能存在各向不均勻性，大多將容器器壁簡化為均勻受力的薄膜進行強度計算，以薄膜應力來描述整個容器的應力水平。然而，對于非均勻的復合材料壓力容器，如復合鋼板壓力容器、纖維纏繞壓力容器和功能梯度材料涂層壓力容器，原則上上述設計方法已不再適用，生產中多采用以犧牲成本（材料）換安全的簡化方法。因此，對于

2、這三類新型復合材料壓力容器熱力耦合力學行為及結構強度設計方法研究迫在眉睫。
　　為此，本文提出對復合鋼板壓力容器、纖維纏繞壓力容器、功能梯度材料涂層壓力容器這三類典型復合材料壓力容器在熱力耦合力學作用下應力進行研究，并基于有限元數值技術分別建立了該三類容器數值模型加以驗證理論模型準確性。最后，對這三類壓力容器結構受力特點進行了詳細討論和優(yōu)化，旨在為今后這類新型復合材料壓力容器的規(guī)范設計提供有力的理論依據和技術支持。其主要研究工作如

3、下:
　　(1)通過創(chuàng)新性引入一個軸向擠壓力，推導了多層復合鋼板壓力容器在熱力耦合作用下三向應力計算一般表達式，并基于有限元方法建立該多層復合鋼板壓力容器數值模型，驗證了理論推導結果的正確性。另外，在數值解的基礎上，對復合鋼板壓力容器應力分布特性進行了詳細討論。研究發(fā)現，對于多層結構容器，在溫度載荷作用下，出現軸向應力大于環(huán)向應力的情況，有別于常規(guī)容器應力分布，另外多層容器邊緣應力同樣具有局部性，峰值應力影響范圍與常規(guī)容器相當。<

4、br>　　(2)基于線彈性和小應變理論，考慮各項同性傳熱條件下，對含金屬內襯纖維纏繞壓力容器在熱力耦合作用下的三向應力進行了理論推導，并基于有限元數值建模方法驗證了理論推導的正確性。另外，考慮到自增強工藝需要，基于有限元方法建立了含金屬內襯纖維纏繞壓力容器的彈塑性數值模型，分別計算了在預緊壓力、卸載零壓力以及工作壓力三種工況下的應力。結果表明:預緊處理可以顯著改善工作載荷下纖維層的應力分布，充分發(fā)揮復合材料高強度的特點，提高壓力容器的強

5、度和抗疲勞性能。
　　(3)通過引入功能梯度材料冪函數物性參數模型和變系數微分方程的Euler法，對含功能梯度材料涂層壓力容器在熱力耦合作用下的三向應力進行了理論推導，通過聯(lián)立物理方程、幾何方程、平衡方程和邊界條件得到三向應力解析解，并基于有限元方法建立功能梯度材料涂層壓力容器在熱力耦合作用下數值模型，數值解驗證了理論推導結果正確性。最后，在數值解的基礎上，討論功能梯度材料涂層的界面效應和耐熱性能，結果表明:功能梯度材料可以有效的