纖維纏繞氣瓶開發(fā)理論分析

宇秋紅，白 潔

沈陽斯林達安科新技術(shù)有限公司

纖維纏繞氣瓶開發(fā)理論分析

宇秋紅，白 潔

沈陽斯林達安科新技術(shù)有限公司

本研究通過對纖維纏繞氣瓶在內(nèi)壓作用下變形及內(nèi)襯失穩(wěn)條件進行論述，分別設(shè)計出纖維纏繞氣瓶的內(nèi)襯和纖維層。結(jié)果表明：對于環(huán)向加縱向纏繞，根據(jù)纖維性能以及纏繞線型，可以推導(dǎo)環(huán)向和縱向?qū)訑?shù)，從而計算出纖維纏繞層厚度；選取屈服極限較大而彈性模量較小的內(nèi)襯材料,通過對內(nèi)襯進行自緊處理，產(chǎn)生包興格效應(yīng)，使內(nèi)襯到纖維層沿壁厚方向應(yīng)力分布均勻。

纖維纏繞；金屬內(nèi)襯；氣瓶設(shè)計

隨著科技的發(fā)展，纖維等現(xiàn)代復(fù)合材料發(fā)展迅速，已經(jīng)成為除金屬材料、無機非金屬材料、有機高分子材料的第四大材料。

1 纖維纏繞氣瓶

纖維纏繞氣瓶一般由金屬內(nèi)襯、纖維、樹脂等組成。

2 纖維纏繞層設(shè)計分析

2.1 纖維纏繞層的力學(xué)特點

纖維纏繞層的主要作用是承受壓力,纏繞層的承載能力要受到纖維纏繞線型的影響，要求纏繞層在不同方向上具有不同的強度。對于纖維纏繞氣瓶，確定合適的纏繞線型，使環(huán)向強度與軸向強度之比，近似等于內(nèi)壓載荷所引起的環(huán)形應(yīng)力與軸向應(yīng)力之比。

2.2 纖維纏繞層設(shè)計分析

2.2.1 基本假設(shè)

（1）纖維纏繞氣瓶的內(nèi)襯視為無強度；

（2）在容器上連續(xù)纏繞纖維，纖維分布均勻且對稱；

（3）氣瓶的強度全部由纖維的拉伸強度來承受，樹脂僅對纖維起粘接、定位的作用，使纖維強度充分發(fā)揮，樹脂的碎裂發(fā)生在纖維的斷裂之后；

（4）氣瓶是薄壁的，沒有彎曲應(yīng)力，全部纖維在相同的拉應(yīng)力下工作；

（5）氣瓶由環(huán)向和縱向纏繞纖維而組成。環(huán)向纖維只在筒體圓柱部分進行。因此，頭部的經(jīng)、緯向強度全部由縱向纏繞纖維承擔(dān)。纏繞形式或順序?qū)w維強度的發(fā)揮沒有影響[3]；

2.2.1.現(xiàn)階段以縱向加環(huán)向纖維纏繞氣瓶為例，依據(jù)基本假設(shè)進行分析如下：

圖2-2

纖維強力在環(huán)向和軸向方向上單位長度的分量：

………………………………(1)

……………………（2）

………………………（3）

由上圖2-2可知：

…………………………（4）

………………………………（5）

由(3)式與（5）式可得：

……………………(6)

……………………………(7)

由上圖2-2可知：

…………………(8)

…………………………(9)

將（1）式、（2）式、（7）式帶入（9）可得：

……(10)

……(11)

……………………(12)

式中：f—每股纖維的平均受力，×9.8N/股；

N1、N2—環(huán)向及縱向纏繞紗片的纖維股數(shù)，股/系；

式中：m—環(huán)線纏繞纖維紗片密度，條/cm；

n—環(huán)線纏繞總層數(shù)，層；

M—縱向纏繞一個循環(huán)（在橫截面內(nèi)為兩層交叉纖維層）的總紗片條數(shù)；

J—縱向纏繞的總循環(huán)數(shù)，循環(huán)；

k—縱向纖維強度利用系數(shù)，通常取k=0.7～0.8；

—縱向纖維與母線夾角（即纏繞角），度；

PR—容器極限承載內(nèi)壓力，×98kPa

R—內(nèi)襯半徑，cm；

S1—環(huán)向纏繞纖維強力在環(huán)向方向上單位長度的分量，×9.8N/ cm；

S21—縱向纏繞纖維強力在環(huán)向方向上單位長度的分量，× 9.8N/cm；

S22—縱向纏繞纖維強力在軸向方向上單位長度的分量，× 9.8N/cm；

縱向加環(huán)向纖維纏繞氣瓶設(shè)計的關(guān)鍵為壁厚，根據(jù)計算，為了保證氣瓶的安全使用，氣瓶爆破不可以在封頭，為了使得封頭得以加強，適當(dāng)增大縱向纏繞角α,就可使縱向?qū)釉黾?、環(huán)向?qū)訙p少，這是最有效的方法。

由（12）式可得：

……………………………(13)

由（7）式可得：

……………………………(14)

3 內(nèi)襯設(shè)計分析

3.1 內(nèi)襯的選擇

由于碳纖維復(fù)合材料氣瓶內(nèi)襯較薄承壓能力較低，造成整個氣瓶承壓能力不足，內(nèi)襯強度一般是外圍碳纖維的1/10左右，為了提高氣瓶的整體承壓性能，需要將內(nèi)部壓力有效的傳遞到外圍纖維上，因此需要在氣瓶完成后施加一定的自緊壓力，在其作用下，內(nèi)襯的最大應(yīng)力將超過內(nèi)襯材料的屈服極限，內(nèi)襯將會發(fā)生塑性變形；自緊應(yīng)力去除后，內(nèi)襯材料產(chǎn)生包興格效應(yīng)，內(nèi)襯出現(xiàn)殘余壓縮應(yīng)力；氣瓶正常工作時，內(nèi)襯在工作壓力下產(chǎn)生拉伸應(yīng)力和自緊的殘余壓縮應(yīng)力疊加，內(nèi)襯最大應(yīng)力降低，外圍纖維應(yīng)力提高，整個氣瓶承載能力會增大。由此通常選取塑性良好，延伸率高的材料做內(nèi)襯。

3.2 內(nèi)襯的穩(wěn)定性

3.2.1 內(nèi)襯的失穩(wěn)模式

內(nèi)襯的失穩(wěn)模式主要體現(xiàn)在內(nèi)襯的鼓包、裂紋以及漏氣，造成內(nèi)襯失去密封性能。內(nèi)村的鼓包與裂紋主要是由于纖維增強層和內(nèi)襯材料的膨脹系數(shù)不同造成的。

3.2.2 內(nèi)襯穩(wěn)定性設(shè)計

當(dāng)氣瓶達到最大的工作強度時，瓶體雖然處于彈性范圍，但內(nèi)襯卻產(chǎn)生、塑性變形，當(dāng)氣瓶卸載后，瓶體回復(fù)到了原來的狀態(tài)，而部分內(nèi)襯因為永久的塑性變形，不能恢復(fù)到原來的狀態(tài)，造成內(nèi)襯的直徑變大，于是，就會受到纖維纏繞層的環(huán)向應(yīng)力。在隨后的工作中，反復(fù)這個過程，當(dāng)環(huán)向應(yīng)力達到內(nèi)襯的臨界壓應(yīng)力,內(nèi)襯就會失穩(wěn)。為了提高氣瓶的結(jié)構(gòu)效率和使用可靠性,宜采用較薄的內(nèi)襯,但內(nèi)襯與纏繞層之間必須粘接牢靠,不得有局部脫粘或弱粘,而且要有良好的抗疲勞、抗老化性能[4]。

4 結(jié)論

纖維纏繞氣瓶的設(shè)計關(guān)系到國家的能源使用和環(huán)境保護，隨著科技的發(fā)展而發(fā)展，為了發(fā)揮纖維纏繞氣瓶在氣瓶中的優(yōu)勢，要不斷的完善氣瓶的結(jié)構(gòu)和制造工藝。在設(shè)計過程中，根據(jù)纖維纏繞層的力學(xué)特點進行分析設(shè)計，通過對線型的調(diào)整，達到最佳的纏繞層設(shè)計；通過對內(nèi)襯特點的分析，選取合適的內(nèi)襯材料；通過對內(nèi)襯的穩(wěn)定性分析，選取屈服極限較大而彈性模量較小的內(nèi)襯材料,加強內(nèi)襯與纖維增強層的粘接強度，選取較薄的內(nèi)襯，都會減少內(nèi)襯的失穩(wěn)，加強內(nèi)襯穩(wěn)定性。