低温复合材料气瓶爆破压力的有限元分析与试验研究
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ｗｒａｐｐｅｄ ｆ ｉｂｒｏｕｓ ｌａｙｅｒ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｗｅｒｅ ａｌｓｏ ｉｎｃｌｕｄｅｄ ａｂｏｕｔ ｔｈｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ０ｆ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ，ｓｔｒａｉｎ ａｎｄ ｄｉｓｐｌａｃｅｍ ｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｎｅｒ ｌｉｎｉｎｇ，ｗｈｉｃｈ ｗｅｒｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｆｏｒｅｃａｓｔ ｔｈｅ ｂｕｒｓｔｉｎｇ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｃｒｙｏｇｅｎｉｃ ＣＯＰＶ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ａｍ ｂｉｅｎｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｆ ８０ Ｋ ．Ａ ｔｅｓｔ ａｐｐａｒａｔｕｓ ａｐｐｌｙｉｎｇ ｆｏｒ ｔｈｅ ｃｒｙｏｇｅｎｉｃ ｂｕｒｓｔｉｎｇ ｅｘｐｅｒｉｍ ｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ＣＯＰＶ ｗａｓ ｂｕｉｌｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｂｕｒｓｔｉｎｇ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｃｒｙ ｏ． ｇｅｎｉｃ ＣＯＰＶ ｗａｓ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｎ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｔｅｍ ｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｆ ｌｉｑｕｉｄ ｎｉｔｒｏｇｅｎ．Ｔｏ ｔｈｅ ｂｕ￣ ｔｉｎｇ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｄｅ． ｖｅｌｏｐｅｄ ｃｒ ｙｏｇｅｎｉｃ ＣＯＰＶ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ａｍｂｉｅｎｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｆ ８０ Ｋ，ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｖａｌｕｅ ｏｆ ｆ ｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｖａｌｕｅ ａｒｅ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ ７８ Ｍ Ｐａ ａｎｄ ７ １．２８ Ｍ Ｐａ，ａｎｄ ｔｈｅ ｅｒｒｏｒ ｏｆ ｔｈｅ ｔｗｏ ｖａｌｕｅｓ ｉｓ ９．４％ ．Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｂｙ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｓ ｒａｔｉｏｎａｌ ，ａｎｄ ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｂｕｒｓｔｉｎｇ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｒｙｏｇｅｎｉｃ ＣＯＰＶ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃｒｙｏｇｅｎｉｃ；ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｏｖｅｒｗｒａｐｐｅｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｖｅｓｓｅｌｓ；ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ；ｂｕｒｓｔｉｎｇ ｐｒｅｓｓｕｒｅ
中图分类号 ：ＴＨ４９；ＴＣＡ３５；ＴＢｌｌ５．１ 文献标 志码 ：Ａ 文章编号 ：１００１—４８３７（２０１６）０３—００３９—０６ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１—４８３７．２０１６．０３．００６
Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍ ｅｎｔ Ａｎａｌｙｓｅｓ ａｎｄ Ｅｘｐｅｒｉｍ ｅｎｔａｌ Ｓｔｕｄｙ ａｂｏｕｔ Ｂｕｒｓｔｉｎｇ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ
ｏｆ Ｃｒｙｏｇｅｎｉｃ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｏ ｖｅｒｗｒａｐｐｅｄ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｖｅｓｓｅｌｓ（ＣＯＰＶ）
ＷＡＮＧ Ｈｏｎｇ—ｒｕｉ，ＸＵ Ｇｕａｎｇ，ＬＩＡＯ Ｃｈｕａｎ—ｊｕｎ （Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒ ｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００７６，Ｃｈｉｎａ）
低温 复合材 料气瓶爆破压 力的 有限元分析与试验 研究
王洪 锐 ，许 光 ，廖传 军 （北京宇航系统工程研究所 ，北京 １０００７６）
摘 要：基于 ＡＮＳＹＳ软 件建 立 了低 温 复合 材料 气瓶 爆破压 力分 析 的有 限元模 型 ，通过 缠绕 层 纤维 损 伤 情况及 内衬 应力 、应变和 位 移变 化情况 分析 ，对所 研 制气瓶 ８０ Ｋ温度 下 的爆破 压 力进 行 了预测 。 搭建 了复合材 料 气瓶 的低 温爆破 试 验装 置 ，开展 了所 研 制 气瓶 液 氮 温 区下 的爆破 试 验 。研 究结果 表 明 ，所研 制低 温复合 材料 气瓶 ８Ｏ Ｋ温度 下爆破 压 力 的有 限元 计算 值 和试 验 值 分 别 为 ７８ ＭＰБайду номын сангаас和 ７１．２８ ＭＰａ，误 差为 ９，４％ ，说 明 了该低 温 复合材 料 气瓶爆 破压 力有 限元 分析 方 法 的合 理 性。 关键词：低 温 ；复合材 料 气瓶 ；有 限元 ；爆破 压 力
· ３９ ·
第 ３３卷第 ３期
压 力 容 器
总第 ２８０期
有限元模型采用对称边界条件 ，如图 ３所示 。 完整模型约束接管端 ，一端约束所 有 自由度 （包 括位 移和转 角 ）；另一端 约束 径 向和环 向 自由度 。
金属内衬 ６０６１一Ｔ６铝合金材料的力学性能 取 设计 标准 值 ，采 用双 线性塑 性本 构模 型 ，材 料应 力 一应 变 曲线如 图 ４所示 。
１２面泊松 比ｔ， ： １３面泊松 比 ｔ，１３ ２３面泊松 比 ｔ，２３
数值
２０２ １５ ｌ５ １０．５ ７．５ ７．５ ０．３２ ０．３２ Ｏ．３２
６０６１一Ｔ６铝 合 金 材 料 和 复 合 材 料 层 的线 胀 系数分 别为 ２２．０８×１０ ／℃ 和 ５ Ｘ １０ ／℃ ，其 中 铝合 金 材料 的线 胀 系 数 为 实 测值 ，复合 材料 层 的 线胀 系数 为假 定值 。单 层板 材料 的低 温力 学性 能 如表 １所 示 。 ２．２ 爆破 压 力分析
４５０ ４００
羔 ２００
０ ０
９０
应 变 ／×１０
１８０
图 ４ ６０６１一Ｔ６应 力一 应变曲线
表 １ 单层 板材 料 力 学性 能
参数
１方向弹性模 量／ＧＰａ ２方向弹性模 量／ＧＰａ ３方向弹性模 量／ＧＰａ １２面剪切模量／ＧＰａ １３面 剪 切 模 量／ＧＰａ ２３面 剪 切 模 量／ＧＰａ
Ａ ｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＡＮＳＹＳ ｓｏｆｔｗａｒｅ，ａ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍ ｅｎｔ ｍ ｏｄｅｌ ｕｓｉｎｇ ｆｏｒ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｔｈｅ ｂｕｒｓｔｉｎｇ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｏｆ
ｃｒｙｏｇｅｎｉｃ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｏｖｅｒｗｒａｐｐｅｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｖｅｓｓｅｌｓ（ＣＯＰＶ）ｉｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ｔｈｅ ｄａｍａｇｅ ｓｔａｔｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｏｖｅｒ—
中图分类号 ：ＴＨ４９；ＴＣＡ３５；ＴＢｌｌ５．１ 文献标 志码 ：Ａ 文章编号 ：１００１—４８３７（２０１６）０３—００３９—０６ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１—４８３７．２０１６．０３．００６
Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍ ｅｎｔ Ａｎａｌｙｓｅｓ ａｎｄ Ｅｘｐｅｒｉｍ ｅｎｔａｌ Ｓｔｕｄｙ ａｂｏｕｔ Ｂｕｒｓｔｉｎｇ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ
ｏｆ Ｃｒｙｏｇｅｎｉｃ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｏ ｖｅｒｗｒａｐｐｅｄ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｖｅｓｓｅｌｓ（ＣＯＰＶ）
ＷＡＮＧ Ｈｏｎｇ—ｒｕｉ，ＸＵ Ｇｕａｎｇ，ＬＩＡＯ Ｃｈｕａｎ—ｊｕｎ （Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒ ｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００７６，Ｃｈｉｎａ）
低温 复合材 料气瓶爆破压 力的 有限元分析与试验 研究
王洪 锐 ，许 光 ，廖传 军 （北京宇航系统工程研究所 ，北京 １０００７６）
摘 要：基于 ＡＮＳＹＳ软 件建 立 了低 温 复合 材料 气瓶 爆破压 力分 析 的有 限元模 型 ，通过 缠绕 层 纤维 损 伤 情况及 内衬 应力 、应变和 位 移变 化情况 分析 ，对所 研 制气瓶 ８０ Ｋ温度 下 的爆破 压 力进 行 了预测 。 搭建 了复合材 料 气瓶 的低 温爆破 试 验装 置 ，开展 了所 研 制 气瓶 液 氮 温 区下 的爆破 试 验 。研 究结果 表 明 ，所研 制低 温复合 材料 气瓶 ８Ｏ Ｋ温度 下爆破 压 力 的有 限元 计算 值 和试 验 值 分 别 为 ７８ ＭＰБайду номын сангаас和 ７１．２８ ＭＰａ，误 差为 ９，４％ ，说 明 了该低 温 复合材 料 气瓶爆 破压 力有 限元 分析 方 法 的合 理 性。 关键词：低 温 ；复合材 料 气瓶 ；有 限元 ；爆破 压 力
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第 ３３卷第 ３期
压 力 容 器
总第 ２８０期
有限元模型采用对称边界条件 ，如图 ３所示 。 完整模型约束接管端 ，一端约束所 有 自由度 （包 括位 移和转 角 ）；另一端 约束 径 向和环 向 自由度 。
金属内衬 ６０６１一Ｔ６铝合金材料的力学性能 取 设计 标准 值 ，采 用双 线性塑 性本 构模 型 ，材 料应 力 一应 变 曲线如 图 ４所示 。
１２面泊松 比ｔ， ： １３面泊松 比 ｔ，１３ ２３面泊松 比 ｔ，２３
数值
２０２ １５ ｌ５ １０．５ ７．５ ７．５ ０．３２ ０．３２ Ｏ．３２
６０６１一Ｔ６铝 合 金 材 料 和 复 合 材 料 层 的线 胀 系数分 别为 ２２．０８×１０ ／℃ 和 ５ Ｘ １０ ／℃ ，其 中 铝合 金 材料 的线 胀 系 数 为 实 测值 ，复合 材料 层 的 线胀 系数 为假 定值 。单 层板 材料 的低 温力 学性 能 如表 １所 示 。 ２．２ 爆破 压 力分析
４５０ ４００
羔 ２００
０ ０
９０
应 变 ／×１０
１８０
图 ４ ６０６１一Ｔ６应 力一 应变曲线
表 １ 单层 板材 料 力 学性 能
参数
１方向弹性模 量／ＧＰａ ２方向弹性模 量／ＧＰａ ３方向弹性模 量／ＧＰａ １２面剪切模量／ＧＰａ １３面 剪 切 模 量／ＧＰａ ２３面 剪 切 模 量／ＧＰａ
Ａ ｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＡＮＳＹＳ ｓｏｆｔｗａｒｅ，ａ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍ ｅｎｔ ｍ ｏｄｅｌ ｕｓｉｎｇ ｆｏｒ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｔｈｅ ｂｕｒｓｔｉｎｇ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｏｆ
ｃｒｙｏｇｅｎｉｃ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｏｖｅｒｗｒａｐｐｅｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｖｅｓｓｅｌｓ（ＣＯＰＶ）ｉｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ｔｈｅ ｄａｍａｇｅ ｓｔａｔｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｏｖｅｒ—