论文题目：复合材料耐压壳的设计
摘要：耐压壳由于具备一定的结构稳定性以及结构强度的特点,在生活中以及军事上得到了广泛的应用,并在航空领域以及航海领域中成为不可缺少的一部分。为了满足我军水下单兵作战的任务需求,需要对耐压壳提出轻质量、高强度的要求,然而传统的耐压壳多采用高强度钢、高强度铝合金等材料制作,已经无法满足耐压壳的性能需求,但复合材料作为一种新型材料,其强度与模量相对于其它金属材料更高,且自身具有可设计性,适用于本课题中耐压壳的设计要求。因此本文提出了一种复合材料耐压壳,对复合材料在军事领域的应用具有重要意义。论文主要通过对壳体进行有限元仿真进而完成对壳体结构的优化设计,其主要内容如下:首先,对耐压壳的总体设计以及理论进行分析。针对给出的原始耐压壳结构,对耐压壳结构的设计总体目标以及设计原则进行介绍,优化后的耐压壳不仅需要保证原始耐压壳的强度,并且重量应该得到降低。对复合材料及其成型工艺进行分析讨论,选择T700碳纤维/环氧树脂复合材料,并选择模压成型作为相应的成型工艺,为了保证壳体的密封性,根据复合材料耐压壳的实际特点,选择了混合连接的连接方式。通过比较复合材料的不同失效准则的特点,最终选择了Hashin失效准则。然后,利用ABAQUS仿真软件对耐压壳进行有限元分析。对金属耐压壳完成有限元分析,结果表明其产生的最大形变为0.5143 mm,为复合材料耐压壳的设计与优化奠定了基础。在一般的铺设原则的前提下,利用仿真软件对不同铺层顺序的复合材料耐压壳进行了有限元分析,最终根据仿真结果选择了[-45°/90°/45°/0°/-45°/0°/45°/0°]s的铺层顺序,并对不同厚度的耐压壳进行了有限元分析,结果表明,复合材料耐压壳厚度为5 mm时强度达到了要求,其最大形变为0.3407 mm。最后,对复合材料耐压壳进行优化设计。为了增加复合材料耐压壳的强度,减轻壳体的重量,对2 mm厚的复合材料耐压壳进行结构设计,通过设计内置支撑结构来增强复合材料耐压壳的强度。结果表明,当在框架底部设计五根纵梁,在两侧面设计两根纵梁时,壳体强度达到要求,产生的最大形变为0.5025 mm。因此,最终对复合材料耐压壳设置相应的内置框架结构后,其最大形变相较于无框架复合材料耐压壳减小了88.5%,其重量相较于原始金属耐压壳减小了42.5%。
关键词：轻质量;复合材料;有限元分析;框架结构
学科专业：机械工程
摘要
abstract
第一章 绪论
1.1 课题的研究背景与意义
1.1.1 研究背景
1.1.2 研究目的与意义
1.2 复合材料耐压壳研究现状
1.2.1 复合材料研究现状
1.2.2 复合材料成型工艺研究现状
1.2.3 碳纤维研究现状
1.2.4 耐压壳研究现状
1.3 主要研究内容
第二章 复合材料耐压壳设计与理论分析
2.1 初始耐压壳设计要求
2.2 复合材料的选择
2.2.1 纤维材料的选择
2.2.2 基体材料的选择
2.3 复合材料成型工艺的选择
2.4 复合材料耐压壳连接方法
2.5 复合材料理论分析
2.5.1 各向异性材料理论分析
2.5.2 复合材料单层板理论分析
2.5.3 经典层合板理论
2.5.4 复合材料损伤模式与失效准则
2.5.5 复合材料损伤力学分析
2.6 本章小结
第三章 基于ABAQUS耐压壳的有限元分析
3.1 ABAQUS有限元分析软件简介
3.2 金属耐压壳有限元分析
3.2.1 有限元模型建立与材料属性创建
3.2.2 模型装配与分析步设置
3.2.3 网格划分
3.2.4 边界条件与载荷设置
3.2.5 金属耐压壳仿真结果分析
3.3 复合材料耐压壳有限元分析
3.3.1 复合材料铺层设计原则
3.3.2 复合材料耐压壳有限元分析
3.4 不同厚度复合材料耐压壳仿真分析
3.5 本章小结
第四章 复合材料耐压壳的优化设计
4.1 复合材料耐压壳支撑结构选材
4.2 复合材料耐压壳支撑结构设计方案
4.3 复合材料耐压壳框架结构设计
4.4 连接环设计
4.4.1 连接环与复合材料耐压壳胶接工艺
4.4.2 连接环结构设计
4.4.3 连接环的有限元分析
4.4.4 耐压壳优化结果分析
4.5 本章小结
第五章 结论与展望
5.1 总结
5.2 展望
参考文献
致谢