钢质内胆玻璃纤维环缠绕气瓶内胆强度计算分析

　　随着燃气汽车的发展，盛装车用天然气的压力容器也由钢质气瓶发展到如今的钢质内胆玻璃纤维环缠绕气瓶，缠绕气瓶以其重量轻、性能稳定和价格适中的优势不断扩大着在车用气瓶市场中的占有率。环缠绕气瓶内胆多采用冷拔无缝铬钼钢管制造，复合层缠绕纤维多采用无碱玻璃纤维无捻粗纱，复合层基体材料采用收缩率较小的热固性环氧树脂。目前在我国车用环缠绕气瓶的产品国家标准尚未发布，而如何确定内胆在环缠绕气瓶整体强度中所承担的理论强度值一直是困扰设计者的一个难题，笔者结合多年的工作经验提出了内胆强度的具体计算方法。

1　现行标准及计算方法

我国目前制造缠绕气瓶多采用或等效采用ISO 11439：2000(E)，其中设计条款并未规定具体的设计计算方法，只是提出“设计应充分建立于适当的计算和论证，并保证气瓶能通过各项试验”，可见该标准更加重视通过对实物测试来判定产品的可靠性。
　　目前，环缠绕气瓶的设计计算通常有两种方法，即有限元应力分析法和设计者自行提出的、按照一定理论进行计算的方法。有限元应力分析法采用计算机应用软件进行，但对于国内多数气瓶设计者来说还比较陌生或较难掌握，不同设计者之间的计算结果也会产生较大的差异。因此，该计算方法在今后相当长的时问内还难以普及和准确应用。而设计者自行提出的、按照一定理论进行计算的方法，其主要难点就在于如何确定内胆在环缠绕气瓶整体强度中所承担的理论强度值。

2　内胆强度计算分析

2．1　气瓶强度在内胆及纤维中的分配
　　环缠绕气瓶的环向强度是由内胆和缠绕纤维共同承担的，而纵向强度则由内胆完全承担。在理论设计上，内胆和纤维约各承担环缠绕气瓶环向强度的一半，所以环缠绕气瓶也俗称“半缠绕气瓶”。环缠绕气瓶通常以爆破强度作为设计依据，但在爆破压力下，环缠绕气瓶的环向强度并不是内胆和纤维强度的简单算术和，而是呈非线性的叠加关系。
　　玻璃纤维的断裂伸长率A通常为调质钢的20％左右，且在缠绕时其张力必须是逐层递减的，因此无论最终张力是多少，缠绕完成后，纤维始终处于拉应力状态，也就是说，在缠绕气瓶达到爆破压力时，内胆的延伸率不会超过A(由于玻璃纤维是脆性材料，其断后伸长率与断裂总延伸率之差可以忽略不计)。由于纤维的张力相对于断裂强力很小，纤维张力引起的纤维延伸在计算时可以忽略不计，因此在设计爆破压力下，内胆的应力即为内胆材料(调质热处理后)延伸率为A时的应力。由此可以看出，缠绕气瓶达到爆破压力时，纤维应首先断裂，并在瞬间引发气瓶爆破。环缠绕气瓶在爆破压力下的环向强度(应力)为延伸率为A时的内胆强度(应力)与玻璃纤维断裂强度(应力)之和。
2．2　内胆强度计算
　　在采用有限元应力分析方法设计时，首先要对内胆材料及复合层材料(纤维增强塑料)的相关力学性能进行测试，然后根据材料的力学性能保证值及测试所得到的相关试验数据进行分析计算。
　　首先，通过内胆材料应力．应变曲线找到延伸率为A(玻璃纤维最小断裂伸长率)时内胆的应力。图1是内胆材料调质热处理后的应力—应变曲线，可以查出延伸率为A(应变为0.01A)时内胆的应力σ_sa以及抗拉强度σ_sb二者比值为σ_sa／σ_sb。由此可以计算出，内胆在环缠绕气瓶强度中所分担的强度与其抗拉强度的关系。以上理论都是建立在内胆实际力学性能基础上的，而设计时，通常是采用内胆力学性能保证值进行计算的，相同材料、相同热处理规范所获得的材料弹性模量是几乎不变的，因此当材料的力学性能在一定范围内波动时，其应力一应变曲线中也仅仅会是非比例变形曲线部分的上下移动，而比值σ_sa／σ_sb不会有明显变化，设计时可以取抗拉强度保证值σ_b的σ_sa／σ_sb作为内胆在延伸率为A时的应力取值σ_a，即σ_a=σ_bσ_sa／σ_sb。内胆强度的取值确定后，环缠绕气瓶的强度设计计算也就自然得到解决。

笔者以缠绕纤维为无碱玻璃纤维无捻粗纱，内胆材料为30CrMo举例进行计算。无碱玻璃纤维无捻粗纱的断裂伸长率通常为2.5％～3.0％，按最小断裂伸长率2.5％可以从图1中查出此时的内胆应力为850MPa，同时可查出抗拉强度为958 MPa，则850／958=0．89。若设计时内胆的抗拉强度保证值为820 MPa，则内胆在设计爆破压力下的应力为0.89×820=730 MPa。