摘 要

复合材料由于优良的耐腐蚀性能，在化学化工等行业广泛用于制作储罐和容器。储罐和容器一般为圆柱壳结构，两端为封头，常见的封头形式有球形、椭圆型和碟形。封头的结构盈利特征直接决定了储罐和容器的质量，对于复合材料封头而言，强度一般都比较容易满足，起控制作用的通常为外压稳定性。

本论文采用有限元分析的方法对复合材料封头的外压稳定性进行分析，通过建立封头参数化模型，施加边界条件和外压荷载，获得封头的外压稳定性特性，并对球形、椭圆形两种不同几何形状的封头的外压稳定性进行对比分析。

关键词：复合材料封头；有限元分析；外压稳定；线形分析

Abstract

Due to its excellent corrosion resistance, composite materials are widely used in chemical and chemical industries to produce tanks and containers. Tanks and containers are generally cylindrical shell structures with ends sealed. Common head forms are spherical, ellipsoidal, and dish-shaped. With respect to that composite head is generally easier to meet the strength, its control is usually external pressure stability.

In this paper, the external pressure stability of the composite material head was analyzed by the finite element analysis method. By establishing the head model, applying the boundary conditions and external pressure load, the external pressure stability characteristics of the head were obtained. The external pressure stability of the elliptical and spherical heads of two different geometries was compared.

Key Words：Composite Head; Finite Element Analysis; External Pressure Stability; Linear Finite Element Analysis

目 录

摘 要

Abstract

目 录

第1章 绪论

1.1 研究目的及意义

1.2 研究现状

1.2.1 有关封头研究方法

1.2.2 国内外分析研究现状

1.3 研究目标和主要内容

1.3.1 研究目标

1.3.2 研究基本内容

1.3.3 拟采用的技术方案

第2章 基于ANSYS的复合材料封头模型建立

2.1 单元选择与铺层设计

2.2 两种形状封头模型

2.2.1 球形封头

2.2.2 椭圆形封头

2.3本章小结

第3章 封头静力学分析

3.1土压力施加

3.2施加约束及载荷

3.3不同尺寸封头静力求解结果

3.3.1 厚度对球形封头静力解影响

3.3.2 直径对球形封头静力解影响

3.3.3 厚度对椭圆形封头静力解影响

3.3.4 直径对椭圆形封头静力解影响

3.4 本章小结

第4章 封头稳定性分析

4.1 稳定性分析方法

4.2 稳定性分析结果

4.2.1厚度对稳定性的影响

4.2.2椭圆度对稳定性的影响

4.3 本章小结

第5章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

致 谢

第1章 绪论

1.1 研究目的及意义

随着当代社会能源变革加快，清洁型可再生新能源的积极开发成为世界各国新的研究运用目标，如天然气、氢气等环境友好型的新能源被更广泛的运用，在运输和储存等过程中都需要使用更多的压力容器。传统的压力容器大多由金属材料制成。金属材料能满足压力容器的性能要求，但同时也存在如密度大、造价高等诸多不足，制约了工业生产的发展。

复合材料压力容器作为一种新型容器制品，相较于传统的金属材料压力容器，拥有质量轻，安全性能好，储存寿命长，耐腐蚀，比强度、比模量高，可设计性强，成型工艺简单高效等特点，正在逐步取代传统的金属压力容器。在化工行业中，复合材料储罐和容器被广泛应用，是一种常见的受压设备。

复合材料是以某种材料为基体，其他材料为增强体，通过物理或化学的方法组合而成的具有新性能的材料。基体材料一般可以分为金属基体和非金属基体，其非金属基体较为常用的包括陶瓷、橡胶、合成树脂等，增强体的材料选择一般多采用玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维等。

复合材料可设计性强，可根据具体的工程条件，合理设计结构形式尺寸，采用更经济的材料和生产工艺制作。有效的降低了材料用量和生产成本。复合材料产品设计理论主要是固体力学和层合理论。

实际工程应用中，压力容器破坏、失效的事情时有发生，其破坏、失效的形式，其一是由于压力容器强度不足发生破坏，其二是压力容器失稳。对承受内压的容器来说第一种情况比较常见，而失稳常见于承受外压的容器。

失稳或屈曲发生在压力容器受到均匀外压载荷作用时。这是由于容器承受外压作用时变形会随着压缩应力的增加而急剧增大，直至容器压瘪。特别是外压薄壁容器薄膜应力尚远远低于屈曲极限时，其容器就往往已失去原有形状，产生压瘪现象，也就是容器失稳破坏。容器失稳破坏，或者说结构屈曲现象的本质可以被认为是构件或结构的内阻突然崩溃。结构一旦发生屈曲，随即失去承载能力。

压力容器的失稳虽然并不经常发生，但一旦发生，势必会带来严重后果，不仅造成设备崩溃报废，甚至可能导致人员的伤亡。因此，在设计外部压力容器时，容器的稳定性是其必须加以论证的重要问题。

复合材料容器一般为圆柱壳结构，两端为封头。封头是压力容器必不可少的重要组成部件，它的好坏直接影响到整个容器的质量。不同形式的封头结构以及不同形式的荷载所引起的失稳后的几何形状是不同的。所以对封头进行稳定性分析有着极其重要的意义。

1.2 研究现状

1.2.1 有关封头研究方法

作为储罐和容器一个重要的压力元件构件，封头制造已经形成了大规模的工业化生产，因此，各国在复合材料封头建造标准规范中，均对不同形式的封头的制造、检验和验收提出了相应具体的的要求。