Проектировочный расчет МКБВД (металло-композитного баллона высокого давления)

Объектом исследования является металлокомпозитный баллон для газового топлива выполненный из композитного материала и образующей (лейнера).

В ходе работы необходимо:

• -    провести расчетную оценку прочности и стабильности геометрии металлокомпозитного бака при заданных рабочих давлениях;

• -    провести расчетную оценку предельных (разрушающих) давлений с учетом повреждений композитной оболочки (трещины);

• -    провести расчетную оценку предельных (разрушающих) давлений с учетом повреждений лейнера (трещины);

• -    провести сравнительный анализ аналитического расчета композитной оболочки с численным методом (МКЭ).

Рис. 1. Конструкция МКБВД.

Конструкция металлокомпозитного бака высокого давления представляет собой армированную оболочку вращения, получаемую в процессе непрерывной намотки композитной ленты на тонкостенный металлический сосуд (лейнер) (рис.1). Металлический лейнер обеспечивает герметичность бака, а композитная оболочка обеспечивает его прочность.

Баки работают под воздействием внутреннего избыточного давлением газовой среды.

Лейнер представляет собой тонкостенную сварную емкость из титанового сплава, состоящую из двух днищ переменной толщины, фланцев и кольца подкладного. Композитная силовая оболочка изготавливается спирально-кольцевым методом непрерывной намотки на лейнер пакетов стеклопластиковых волокон в несколько слоев.

Металлокомпозитный баллон высокого давления состоит из металлического лейнера для обеспечения герметичности и силовой композитной оболочки для обеспечения прочности и жесткости (рис.2). Силовая композитная оболочка изготавливается методом многослойной непрерывной намотки на лейнер пакетов стеклопластиковых волокон, пропитанных связующим. Таким образом, материал композитной оболочки представляет собой сложную слоистую структуру переменной толщины, а механические свойства материала в значительной степени определяются не только свойствами стеклопластиковых волокон и эпоксидной матрицы, но и технологическими параметрами намотки.

Рис. 2. Схема составляющих металлокомпозитный баллона для газового топлива

Каждый слой композитной оболочки формируется двумя лентами, симметрично повернутыми под углом ±φ относительно образующей оболочки (рис. 3).

Рис. 3. Структура материала композитной оболочки со схемой армирования [-φ /+φ] n

Согласно данной схеме намотки, материал композитной оболочки можно рассматривать как ортотропный с девятью механическими характеристиками, которые зависят от угла φ: тремя модулями упругости ( E_x , E_y , E_z ), тремя модулями сдвига ( G ₁₂ , G ₁₃ , G ₂₃ ) и трeмя коэффициентами Пауссона (µ 12 , µ 13 , µ 23 ). Экспериментальное определение девяти механических характеристик при различных углах укладки на практике не представляется возможным. Однако соотношения структурной механики композитных мaтериалов позволяют произвести расчет этих характеристик на основе механических свойств композитной ленты, формирующей композитную оболочку в процессе намотки.

Характер изменения механических свойств в различных зонах композитной оболочки можно оценить, проведя аналитический расчет эквивалентной матрицы жесткости многослойного композита в зависимости от угла армирования φ.

Для проведения расчетов на прочность конструкции МКБВД в пакете ANSYS Workbench 14.5.7 была разработана параметрическая конечноэлементная модель, учитывающая основные геометрические характеристики и параметры намотки композитной оболочки. В дальнейшей работе будет проведен расчет при заданном внутреннем давление, проведен анализ матрицы жесткости композита зависящий от угла намотки и толщины монослоя, как аналитически, так и численно, и их сравнение.