摘 要

经济的发展使得新材料的需求不断增加，推动了复合材料的研发和应用，同时，环境污染以及能源枯竭的问题也促进了氢气和CNG等清洁能源的发展。相比于金属气瓶，以复合材料为基础的缠绕气瓶重量小、比强度高，成为气瓶研究的热点。本课题以经典层合板理论为基础，通过采用ABAQUS软件建立模型，并开展结构有限元应力分析，分析不同冲击条件下气瓶的损伤状况。进行了如下的研究工作并得到以下结论：

（1）以复合材料主要失效方式及其失效理论为基础，分析了纤维缠绕气瓶的整体结构的几何关系和本构方程，建立了复合材料层的基本力学模型。

（2）以经典层合板理论为基础，基于PUCK失效准则，确定损伤演化模式，运用Fortran语言编写VUMAT用户自定义材料子程序，模拟分析复合材料层合板的力学行为以确定子程序模拟的准确性。

（3）运用有限元软件ABAQUS建立力学模型，分析纤维缠绕压力气瓶受冲击下的损伤失效模式，分析不同冲击能量下气瓶的力学行为以及损伤状况。

关键词：冲击载荷； 纤维缠绕气瓶； 有限元

Finite element analysis of impact damage on filament wound composite gas cylinder with aluminium liner

Abstract

With the economic development, the increasing demand of the new material promote the development and application of composite material. At the same time, environmental pollution and energy depletion problems also promotes the development of clean energy sources such as hydrogen and CNG. Compared with the metal cylinder, filament wound cylinder based on composite material with less weight and high specific strength become the hot topics in the study of gas cylinders. This topic establishes the model by ABAQUS software based on the classical laminated plate theory, and carry out finite element structural stress analysis to analyze the damage condition of cylinder under different impact conditions. The main work and conclusions are as follows:

1. This paper introduces common failure mode and failure theory of composite materials, and on this basis, the geometric relation and the constitutive equation of the fiber wound cylinder was analyzed. Basic mechanics model of composite layer is set up.
2. Based on the classical laminate theory and PUCK failure criteria, the damage evolution model is determined, this paper uses Fortran language to compile VUMAT user-defined material subroutine and determines the accuracy of the subroutine for simulation by analyzing the mechanical behavior of composite laminated plate.
3. Using the finite element software ABAQUS to establish the mechanical model, this paper analyzed the damage failure mode of the fiber wound pressure cylinder under impact and the mechanical behavior and damage condition of the cylinder under different impact energy.

Keywords: Impact Loading; Wound Composite Gas Cylinder; Finite Element Analysis

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1引言 1

1.2 复合材料概述 1

1.3 纤维缠绕气瓶概述 1

1.4 纤维缠绕气瓶设计标准 3

1.5 研究现状 3

1.6 本文研究内容 4

第二章 复合材料失效理论基础 5

2.1复合材料失效过程 5

2.2复合材料强度理论 5

2.2.1各向异性材料本构模型 7

2.2.2经典层合板理论 7

2.2.3层合板层内失效理论 9

2.2.4层合板层间失效模型 10

2.3金属失效理论 10

2.3.1金属失效基础 10

2.3.2金属韧性断裂模型 12

2.3.3 Johnson-Cook模型 12

第三章 VUMAT子程序验证 15

3.1 ABAQUS简介 15

3.2复合材料层合板拉伸 15

3.3复合材料层合板冲击 16

3.4本章小结 19

第四章 纤维缠绕气瓶冲击损伤有限元分析 20

4.1有限元模型建立 20

4.1.1 复合材料冲击损伤自动建模插件 20

4.1.2 铝内胆模型 22

4.1.3 复合材料层模型 22

4.1.4 冲头建模 23

4.1.5 组装与加载边界条件与载荷 23

4.2复合材料气瓶损伤结果分析 24

4.2.1 整体趋势分析 24

4.2.2 纤维缠绕层损伤分析 25

4.2.3不同冲击能量对比分析 31

4.3本章小结 31

第五章 结论与展望 32

5.1结论 32

5.2展望 32

致谢 34

参考文献 35

第一章 绪论

1.1引言

随着社会经济的发展，人类对新材料的需求不断增加，推动了复合材料的研发和应用，如今，复合材料在航天、航空、海洋工程、化工、军工等领域得到了广泛的应用。同时，环境污染以及能源枯竭始终困扰着人类社会，为了解决这个问题实现可持续发展，世界各国采取了诸多措施，采用压缩天然气和氢气为代表的清洁能源代替传统化石能源是其中的重要措施之一。相比于金属气瓶，以复合材料为基础的缠绕气瓶重量更小、能耗更少，成为气瓶研究的热点。

1.2 复合材料概述

复合材料由多种材料构成，每种组分既相对独立，整体性质又优于构成材料。

复合材料一般由增强纤维和基体组成。增强纤维的作用是提高材料的整体强度和刚度，目前使用较为广泛的增强纤维有玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维等。基体的主要作用是传递载荷和链接增强纤维，常见的基体有树脂，环氧，酚醛^[1]。

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