Детальная информация

Целью работы является разработка компьютерной модели баллона высокого давления третьего типа для решения задачи оптимизации изделия и математической модели изделия, основанной на уравнениях механики слоистых пластин, безмоментной теории оболочек и уравнении траектории армирования для обеспечения процессов автоматизации конструирования и проектирования оптимального изделия. Дополнительно ставится задача оптимизации конструкции по критериям прочности и геометрическим параметрам с использованием собственных Python-программ и интеграции с ANSYS MAPDL. Объект исследования — баллон высокого давления третьего типа, состоящий из композитной оболочки, намотанной на металлический лейнер. Методы исследования – аналитический и численный анализ напряженно-деформированного состояния материала в оболочке, нагруженной внутренним давлением. В ходе работы были выполнены следующие задачи: - разработана математическая модель изделия на основе механики слоистых пластин, безмоментной теории оболочек и уравнения Клеро; - разработана компьютерная модель изделия на основе данных математической модели - проведены процедуры верификации для модели материала и изделия - реализованы программные коды на языке Python для расчёта и оптимизации схемы армирования цилиндрической части баллона и автоматического построения компьютерной модели; - проведена оценка применимости методики моделирования в задаче оптимизации. Актуальность работы заключается в необходимости разработки эффективных методов проектирования и оптимизации баллонов высокого давления третьего типа, которые используются в транспортировке и хранении сжиженных и сжимаемых газов. Существующие подходы к проектированию баллонов типа 3 часто требуют значительных ручных и итеративных расчетов, замедляя процесс разработки и повышая риск ошибок. Хотя полное описание всех сложных взаимодействий между металлическим лейнером и композитной оболочкой может быть ограничено в рамках используемых аналитических моделей, данная работа фокусируется на автоматизации конструирования и оптимизации конструкции с использованием этих моделей и численных инструментов. Это позволяет существенно повысить эффективность проектирования, сократить время и затраты на новые проектные решения, а также достигнуть более высоких показателей конструктивно-массового совершенства.

The aim of this work is to develop a computer model of a third-generation high-pressure cylinder based on the equations of laminated plate mechanics and momentless shell theory, with automated design of the optimal geometry. Additionally, the task is set to optimize the structure according to strength criteria and geometric parameters using proprietary Python programs and integration with ANSYS MAPDL. The object of study is a third-generation high-pressure cylinder, consisting of a composite shell wound onto a metallic liner. Methods of investigation include analytical and numerical analysis of the stress-strain state of the material in the shell under internal pressure. During the course of the work, the following tasks were carried out: - a mathematical model of the product was developed based on the mechanics of laminated plates, the momentless shell theory, and Clairaut’s equation. - a computer model of the product was developed based on the data from the mathematical model. - execution of verification procedures for both the material model and the product model. - implementation of Python code for calculating and optimizing the reinforcement scheme of the cylindrical portion of the cylinder and for automatic generation of the computer model. - assessment of the applicability of the modeling methodology to the optimization problem. The relevance of this work lies in the necessity of developing efficient methods for designing and optimizing third-generation high-pressure cylinders, which are used for transporting and storing liquefied and compressed gases. Existing approaches to designing Type 3 cylinders often require substantial manual and iterative calculations, slowing down the development process and increasing the risk of errors. Although a complete description of all complex interactions between the metallic liner and the composite shell may be limited within the scope of the analytical models used, this work focuses on automating the design and optimization of the structure using these models and numerical tools. This enables a significant increase in design efficiency, reduction of time and costs for new design solutions, and achievement of better structural mass‐efficiency metrics.