“柱形”鋁內(nèi)襯纖維纏繞復合材料氣瓶自緊分析

陳軍軍，田 桂，沈 俊，黃立鈉

（上海空間推進研究所，上海201112）

0 引言

鋁內(nèi)襯纖維纏繞復合材料氣瓶綜合了復合材料的比強度高、比模量大、抗疲勞性能好及金屬材料的氣密性好和耐腐蝕性強等諸多優(yōu)點，已逐漸取代金屬氣瓶而被廣泛地應(yīng)用于航空、航天、汽車、化工及能源等各個行業(yè)。然而，復合材料氣瓶的金屬內(nèi)襯和纖維纏繞層在力學性能方面存在巨大差異，在受壓狀態(tài)下會表現(xiàn)出不同的應(yīng)力狀態(tài)。由于鋁合金屈服強度較低、彈性范圍小，而纖維纏繞層強度高、彈性范圍大，當內(nèi)襯進入塑性狀態(tài)時，纖維纏繞層仍處于彈性狀態(tài)。這樣，一方面由于內(nèi)襯應(yīng)力過高，發(fā)生塑性變形，降低了氣瓶的耐疲勞性能；另一方面使得復合材料層高強度的特點沒能得到充分利用。為了解決這一問題，工程上通常在氣瓶纖維纏繞層固化后對氣瓶進行自緊處理，以改善氣瓶的應(yīng)力分布，提高氣瓶的疲勞壽命。

本文基于復合材料層合板理論及各向同性材料彈塑性理論，采用ANSYS有限元分析軟件，對航天用53 L“柱型”鋁內(nèi)襯纖維纏繞復合材料氣瓶進行自緊分析。研究了自緊壓力對氣瓶受力狀態(tài)及疲勞性能的影響，確定了氣瓶最佳自緊壓力。分析結(jié)果對其它同類氣瓶也具有較大的工程參考價值。

1 氣瓶結(jié)構(gòu)簡介

53 L“柱型”鋁內(nèi)襯纖維纏繞復合材料氣瓶主要由無縫鋁合金內(nèi)襯（含接管嘴、工藝凸臺）、纖維纏繞層和鋁合金安裝底座等部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖……