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20世紀(jì)90年代后，由于能源結(jié)構(gòu)的改變和環(huán)境污染日益加重等原因，汽車工業(yè)研究的重點轉(zhuǎn)向清潔能源車輛領(lǐng)域，開發(fā)了以天然氣為燃料的汽車。隨著復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用，其燃料儲存容器也采用了含金屬內(nèi)襯的復(fù)合材料纏繞容器。該容器具有重量輕、承載能力高、安全和可靠性好等優(yōu)點，但該容器設(shè)計的關(guān)鍵是，如何合理地選擇其金屬內(nèi)襯和復(fù)合材料纏繞層的材料和幾何尺寸。
為了提高容器的承載能力，除了采用較厚復(fù)合材料纏繞層外，還必須充分發(fā)揮金屬內(nèi)襯材料的塑性變形能力。為此，在容器制造過程中，一方面控制纖維纏繞的預(yù)張力，另一方面在容器固化成型后，又必須采用施加預(yù)壓力工藝，使其金屬內(nèi)襯進(jìn)人塑性，然后卸載獲得合理的壓縮殘余應(yīng)力，以減小在工作狀態(tài)下金屬內(nèi)襯的應(yīng)力，從而達(dá)到提高承載能力和疲勞壽命的目的。關(guān)于厚復(fù)合材料纏繞層的強(qiáng)度分析也是設(shè)計者的難點之一，目前常用的基于網(wǎng)絡(luò)理論的解析方法和基于經(jīng)典層合理論的有限元方法都不能正確描述厚復(fù)合材料纏繞層的三維力學(xué)特征。本文采用了以層合板等效剛度概念為基礎(chǔ)的有限元法來分析厚纏繞層，這不僅能在分析中較好地考慮厚纏繞層的三維力學(xué)特征，同時又大大簡化了計算過程，節(jié)省了計算資源。
經(jīng)典層合板理論是分析薄層合結(jié)構(gòu)的一種有效方法理論。但對于中厚或厚層合結(jié)構(gòu)來說，為了反映其橫截面翹曲變形特征，經(jīng)常采用以高階位移試函數(shù)為基礎(chǔ)的層合板高階理論，以提高其分析精度。但是由于在高階理論中引人了廣義位移，往往導(dǎo)致計算和編程困難，同時這些高階理論仍然不能真實地反映中厚或厚層合結(jié)構(gòu)的三維應(yīng)力和變形特征。在實際應(yīng)用中，厚層合板都是按照一定次序鋪設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)層組疊合而成的，以避免結(jié)構(gòu)出現(xiàn)翹曲變形，如果層合板的特征長度比標(biāo)準(zhǔn)層組的厚度大得多，這樣就可假定忽略其每單層材料的方向性特征，而將標(biāo)準(zhǔn)層組視為一種正交各向異性材料，則整個層合板便可采用等效原則建立其等效本構(gòu)關(guān)系。
設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)層組由N層正交各向異性復(fù)合材料單層板組成，每一層的纖維鋪設(shè)方向是任意的，它的坐標(biāo)系統(tǒng)見圖所示。在標(biāo)準(zhǔn)層組內(nèi)，定義以下的宏觀有效應(yīng)力和應(yīng)變?yōu)槠渲校瑅是標(biāo)準(zhǔn)層組的體積。若假定層合板的面內(nèi)尺寸是無限的，則每一標(biāo)準(zhǔn)層組內(nèi)的單層板的面內(nèi)應(yīng)力和應(yīng)變場為均勻場，設(shè)復(fù)合容器幾何尺寸為金屬內(nèi)襯材料為35CrMo，彈性模量泊松比f，強(qiáng)度極限為35CrMo。應(yīng)力-應(yīng)變曲線，纏繞層為玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，其材料常數(shù)分別為：假設(shè)容器的內(nèi)壁尺寸和總厚度保持不變，通過改變金屬內(nèi)襯和纏繞層的相對厚度比，討論其對復(fù)合容器應(yīng)力狀態(tài)和承載能力的影響。
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