纤维缠绕气瓶设计分析

       讨论了具有金属内衬的纤维缠绕气瓶在加压和卸压过程中的变形特性。依据网格理论，给出了纤维缠绕壳体的设计方法。对塑性性能良好的金属材料内衬，可用强度理论中的最大正应变准则进行强度设计。推导出气瓶卸压时内衬不失稳所应满足的条件。为使卸压时内衬不失稳，内衬与纤维缠绕壳体之间应有足够的粘接强度，而且内衬的壁厚应越薄越好。对壁厚较薄的内衬，给出了气瓶卸压时内衬不失稳的最小粘接强度的确定方法。算例表明，文中给出的设计分析方法，可用于具有金属内衬纤维缠绕气瓶的初步设计。

       随着纤维复合材料的发展和应用，航空和航天用金属材料气瓶逐渐被纤维缠绕气瓶所取代，尤其是炭纤维缠绕气瓶，近年来在航空和航天领域里得到广泛应用。纤维缠绕气瓶多采用塑性良好的铝合金或钛合金薄壁壳体作为内衬，该壳体既起密封作用，又是气瓶缠绕成型时的芯模。因此，纤维缠绕气瓶设计必须同时考虑纤维缠绕壳体和内衬壳体结构，及其在内压作用下的相互作用。

        气瓶的纤维缠绕结构设计可采用网格理论方法。对于塑性良好的铝合金或钛合金，其强度极限较低，在计算纤维缠绕气瓶的爆破压强时可忽略内衬的作用，直接由网格理论方法确定纤维缠绕壳体的壁厚。文献[1]指出，具有金属内衬的纤维缠绕气瓶在内压作用下，纤维缠绕壳体还在弹性范围时，内衬已产生较大的塑性变形。因此，应采用塑性较好的材料作内衬，且允许内衬在塑性范围内工作。这样一来，内衬设计宜采用最大正应变理论进行强度校核。另外，气瓶使用时要经历加压和卸压等加载过程。充气加压至最大压强时，内衬发生较大的塑性变形，而纤维缠绕壳体仅发生弹性变形，卸压后该弹性变形得以回复，而产生塑性变形（不能回复）的内衬直径增大，结果将承受一定的外压作用。如果内衬与纤维缠绕壳体之间粘接不牢固，或有局部脱粘、弱粘等缺陷，往往会使内衬在外压作用下失稳而出现塌陷的鼓包，当气瓶再次充压时，鼓包又被压回，卸压后，鼓包又出现，如此反复充压、卸压，会使内衬在低周疲劳下破坏。由此可见，对具有金属内衬的纤维缠绕气瓶，分析其在内压作用下的变形及内衬失稳条件，是纤维缠绕气瓶设计的重要任务。

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