纤维缠绕∕金属内衬复合材料气瓶应力分析

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1、第37卷第1期2011年2月火箭推进JOURNALOFROCKETPROPU璩IONV01．37．No．1Feb．2011纤维缠绕／金属内衬复合材料气瓶应力分析晏飞(上海空间推进研究所，上海200233)摘要：针对纤维缠绕／金属内衬复合材料气瓶结构复杂、参数多及设计分析困难等问题，提出了一种面向设计的纤维缠绕／金属内衬复合材料气瓶应力分析方法，并通过一个碳纤维缠绕，铝合金内衬柱形复合材料气瓶的应力分析，评估了分析方法的有效性。关键词：纤维缠绕；金属内衬；复合材料气瓶；应力分析中图分类号：V252—34文献标识码：A文章编号：1672—9374(20

2、11)01-0046-06Stressanalysisoffilament—-woundcompositegascylinderswithmetallinerYANFei(ShanghaiInstituteofSpacePropulsion，Shanghai200233，China)AbI蚰陋ct：Astressanalysismethodformetallinercompositegascylinderswindedwithplasticfilamentisproposed．Theanalysismethodisbasedonmembraneth

3、eory，classicallaminatetheoryandTsai·Wufailurecriterionaswell．Theanalysisresultsofcompositegascylinderswoundwiththefila-mentispresentedandcomparedwiththoseofconventionfiniteelementanalyses．Someimportantconclusionsareobtained．Keywords：filamentwound；metalliner；compositegascylinde

4、r；stressanalysis0引言当纤维缠绕复合材料气瓶被设计用于容纳高压气体时，为了防止泄漏和保证安全，要求选用金属内衬。其优点之一，是在气瓶投入使用之前，可以通过“自紧”在纤维缠绕层和金属内衬中引入预应力I¨l，提高气瓶的性能。所谓“自紧”，就是在气瓶使用之前，于其内部施加一个高于工作压力的自紧压力，以使金属内衬产生塑性变形而纤维缠绕层仍然处于其弹性变形状态。在气瓶弹性卸载后，金属内衬因有残余变形不能恢复原来尺寸而处于压缩状态，纤维缠绕层力图恢复原来尺寸却受到金属内衬残余变形的阻碍而处于拉伸状态。于是，纤维缠绕层所受的应力不能完全得到消除，

5、金属内衬由于受到纤维缠绕层的压迫将产生残余压应力。在随后的载荷循环中，整个气瓶都在增强的弹性范围内工作。收稿日期：2010-10-15：修回日期：2010-1l一11基金项目：总装备部预研项目作者简介：晏飞(1964-．)。男，研究员，研究领域为空间压力容器第37卷第1期晏飞：纤维缠绕／金属内衬复合材料气瓶应力分析47当气瓶承受工作压力之后，由于内压引起的应力与预应力的叠加，降低了金属内衬的应力水平，且使金属内衬的应力沿壁厚分布趋于均匀，因而提高了金属内衬的弹性承载能力和安全寿命。可见，自紧、空载和工作等状态下的应力分析是纤维缠绕／金属内衬复合材料

6、气瓶设计的关键，应采用能用于材料非线性分析的软件，建立计算复合材料力学性能的适当模型，对纤维缠绕／金属内衬复合材料气瓶进行自紧压力、自紧后零压力、工作压力和最小设计爆破压力下的应力分析，确定纤维缠绕层和金属内衬中的应力分布。为此，基于薄膜理论和经典层合板理论，提出了一种面向设计的纤维缠绕／金属内衬复合材料气瓶应力分析方法，旨在提高设计水平和效率。1分析模型1．1自紧过程试验显示，纤维缠绕，金属内衬复合材料气瓶固化后的首次增压变形和失效过程大致分成以下几个阶段【l】(见图l。试验应变测点为纤维缠绕层的外表面)：1)初始增压阶段因为金属内衬与纤维缠绕层

7、的热膨胀系数不同，所以气瓶固化后会在金属内衬与纤维缠绕层之间产生一个微小固化间隙△埘。因此，在较低压力下，气瓶仅有金属内衬承载，直至金属内衬的变形在a点抵消固化间隙△tt，为止，对应的压力p．称为固化间隙闭合压力；2)弹性变性阶段固化间隙抵消后，纤维缠绕层开始参与承受内压载荷。在这一阶段，金属内衬与纤维缠绕层都处于弹性变形状态。随着内压的增大，壳体的变形线性地增大，直至金属内衬在b点屈服为止，对应的压力p．称为内衬屈服失效压力；3)内衬屈服阶段从b点开始。金属内衬因屈服而逐步进入塑性变形状态，而纤维缠绕层仍然处于其弹性变形状态。随着压力的升高，金属

8、内衬的塑性区域不断扩大且承压能力不再增加。其后的压力增量主要由纤维缠绕层承担；4)气瓶失效阶段若压力进一步升高，纤维缠绕层