碳纤维缠绕复合气瓶的有限元数值分析

　　　　碳纤维缠绕压力容器是指采用连续纤维缠绕工艺成型的承受内压载荷的薄壁壳体。该类容器主要由铝内胆、碳纤维增强缠绕层和玻璃纤维保护缠绕层组成。由于该容器采用不同的材料制成，在载荷作用下不同材料表现出的应力、应变状态也不同，如在内压作用下，纤维缠绕层还处在弹性范围时，金属内衬己进入塑性变形区。当复合材料高压容器卸压时外面的复合材料层由于弹性变形要恢复形变，而内衬经受塑性变形，形变不能完全恢复，因此将会产生变形不协调。外层复合材料卸压收缩将会使铝合金内衬压缩失稳，内衬将会出现向内塌陷的鼓包。当容器再次充压时，鼓包又被压回；卸压后，鼓包又出现。如此反复地充压、卸压，会使内衬在递增疲劳作用下破坏，最终导致复合材料高压容器的疲劳寿命大大降低。解决的办法可以对气瓶施加预紧压力，使铝内胆在零内压下处于适当的压应力状态，碳纤维处于拉应力的状态，通过应力的叠加从而降低工作压力下内胆的应力水平。由此可见，在考虑预紧压力的情况下，对碳纤维缠绕容器在内压作用下金属内衬的弹塑性大应变及其复合层的应力应变分布进行分析，是复合材料压力容器设计和制造的重要环节。但是这些分析计算本身的复杂性决定了依靠传统的解析方法难以完成，而利用有限元工具对复合材料气瓶进行优化与计算是工程上普遍使用的有效方法之一。
　　　　本文以美国MSC．Software公司的通用有限元软件MSC．Marc[51为基础，采用弹塑性有限元方法对碳纤维缠绕复合气瓶的预紧压力及各种工况条件的应力应变分布进行相应的分析，并参考DOT CFFC标准计算获得气瓶相应的最佳预紧压力及爆破压力下纤维的强度转换率。

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