纤维缠绕圆筒压力容器结构分析

       对具有内衬的纤维缠绕圆筒压力容器进行了结构分析。将内衬作为各向同性材料、纤维缠绕圆筒作为正交异性材料处理。在内压作用下，得到了内衬和纤维缠绕圆筒的弹性应力和应变。讨论了内衬和纤维缠绕圆筒材料选取和结构设计准则，即应选取弹性模量很低、强度较高和塑性良好的材料作内衬；选取模量和强度都较高的纤维缠绕圆筒：内衬壁厚应尽可能薄，且与纤维缠绕圆筒粘接牢固。算例表明，弹性应力分析结果与测试值符合良好。

       玻璃纤维、有机纤维和炭纤维等具有较高的比强度和比模量，已广泛用于制作各种纤维缠绕压力容器。作为固体火箭发动机的纤维缠绕壳体，其密封问题由橡胶类内绝热层保证。在进行固体火箭发动机纤维缠绕壳体设计时，一般忽略内绝热层的承载作用。而卫星用高压气瓶，则多采用金属材料作内衬，外缠高强纤维。这种内衬不仅起密封作用，而且还具有一定承载能力。

       纤维缠绕圆筒压力容器在内压作用下将产生较大的弹性变形。内绝热层用橡胶类材料模量很低，能承受很大的弹性变形。固体火箭发动机纤维缠绕壳体的内绝热层与壳体之间具有良好的变形协调性，不仅密封问题容易得到保证，而且也不存在内绝热层的强度破坏问题。金属材料内衬的弹性模量较高，其弹性变形往往远低于纤维缠绕壳体的弹性变形。在内压作用下，纤维缠绕壳体还在弹性范围时，金属内衬已产生较大的塑性变形。卸压后，纤维缠绕壳体的弹性变形回复，使直径增大了的金属内衬承受较大的外压作用。如果内衬与纤维缠绕壳体粘接不牢，往往会使内衬在外压作用下失稳，内衬出现内塌陷的鼓包。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。由此可见，对具有金属材料内衬的纤维缠绕圆筒压力容器，分析其在内压作用下内衬和纤维缠绕壳体的弹性变形及应力分布是压力容器设计和制造的重要环节。

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