復(fù)合材料壓力容器熱力耦合應(yīng)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(shè)備，其設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)與驗(yàn)收需要嚴(yán)格依照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。目前，現(xiàn)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(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，以薄膜應(yīng)力來描述整個(gè)容器的應(yīng)力水平。然而，對(duì)于非均勻的復(fù)合材料壓力容器，如復(fù)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(shè)計(jì)方法已不再適用，生產(chǎn)中多采用以犧牲成本（材料）換安全的簡化方法。因此，對(duì)于

2、這三類新型復(fù)合材料壓力容器熱力耦合力學(xué)行為及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法研究迫在眉睫。
　　為此，本文提出對(duì)復(fù)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(fù)合材料壓力容器在熱力耦合力學(xué)作用下應(yīng)力進(jìn)行研究，并基于有限元數(shù)值技術(shù)分別建立了該三類容器數(shù)值模型加以驗(yàn)證理論模型準(zhǔn)確性。最后，對(duì)這三類壓力容器結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)討論和優(yōu)化，旨在為今后這類新型復(fù)合材料壓力容器的規(guī)范設(shè)計(jì)提供有力的理論依據(jù)和技術(shù)支持。其主要研究工作如

3、下:
　　(1)通過創(chuàng)新性引入一個(gè)軸向擠壓力，推導(dǎo)了多層復(fù)合鋼板壓力容器在熱力耦合作用下三向應(yīng)力計(jì)算一般表達(dá)式，并基于有限元方法建立該多層復(fù)合鋼板壓力容器數(shù)值模型，驗(yàn)證了理論推導(dǎo)結(jié)果的正確性。另外，在數(shù)值解的基礎(chǔ)上，對(duì)復(fù)合鋼板壓力容器應(yīng)力分布特性進(jìn)行了詳細(xì)討論。研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于多層結(jié)構(gòu)容器，在溫度載荷作用下，出現(xiàn)軸向應(yīng)力大于環(huán)向應(yīng)力的情況，有別于常規(guī)容器應(yīng)力分布，另外多層容器邊緣應(yīng)力同樣具有局部性，峰值應(yīng)力影響范圍與常規(guī)容器相當(dāng)。<

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

5、度和抗疲勞性能。
　　(3)通過引入功能梯度材料冪函數(shù)物性參數(shù)模型和變系數(shù)微分方程的Euler法，對(duì)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(yīng)力進(jìn)行了理論推導(dǎo)，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(yīng)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(shù)值模型，數(shù)值解驗(yàn)證了理論推導(dǎo)結(jié)果正確性。最后，在數(shù)值解的基礎(chǔ)上，討論功能梯度材料涂層的界面效應(yīng)和耐熱性能，結(jié)果表明:功能梯度材料可以有效的