纖維纏繞氣瓶開發理論分析

宇秋紅，白 潔

沈陽斯林達安科新技術有限公司

纖維纏繞氣瓶開發理論分析

宇秋紅，白 潔

沈陽斯林達安科新技術有限公司

本研究通過對纖維纏繞氣瓶在內壓作用下變形及內襯失穩條件進行論述，分別設計出纖維纏繞氣瓶的內襯和纖維層。結果表明：對于環向加縱向纏繞，根據纖維性能以及纏繞線型，可以推導環向和縱向層數，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襯材料,通過對內襯進行自緊處理，產生包興格效應，使內襯到纖維層沿壁厚方向應力分布均勻。

纖維纏繞；金屬內襯；氣瓶設計

隨著科技的發展，纖維等現代復合材料發展迅速，已經成為除金屬材料、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襯、纖維、樹脂等組成。

2 纖維纏繞層設計分析

2.1 纖維纏繞層的力學特點

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，使環向強度與軸向強度之比，近似等于內壓載荷所引起的環形應力與軸向應力之比。

2.2 纖維纏繞層設計分析

2.2.1 基本假設

（1）纖維纏繞氣瓶的內襯視為無強度；

（2）在容器上連續纏繞纖維，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，使纖維強度充分發揮，樹脂的碎裂發生在纖維的斷裂之后；

（4）氣瓶是薄壁的，沒有彎曲應力，全部纖維在相同的拉應力下工作；

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

2.2.1.現階段以縱向加環向纖維纏繞氣瓶為例，依據基本假設進行分析如下：

圖2-2

纖維強力在環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—環向及縱向纏繞紗片的纖維股數，股/系；

式中：m—環線纏繞纖維紗片密度，條/cm；

n—環線纏繞總層數，層；

M—縱向纏繞一個循環（在橫截面內為兩層交叉纖維層）的總紗片條數；

J—縱向纏繞的總循環數，循環；

k—縱向纖維強度利用系數，通常取k=0.7～0.8；

—縱向纖維與母線夾角（即纏繞角），度；

PR—容器極限承載內壓力，×98kPa

R—內襯半徑，cm；

S1—環向纏繞纖維強力在環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；

縱向加環向纖維纏繞氣瓶設計的關鍵為壁厚，根據計算，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，適當增大縱向纏繞角α,就可使縱向層增加、環向層減少，這是最有效的方法。

由（12）式可得：

……………………………(13)

由（7）式可得：

……………………………(14)

3 內襯設計分析

3.1 內襯的選擇

由于碳纖維復合材料氣瓶內襯較薄承壓能力較低，造成整個氣瓶承壓能力不足，內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，內襯的最大應力將超過內襯材料的屈服極限，內襯將會發生塑性變形；自緊應力去除后，內襯材料產生包興格效應，內襯出現殘余壓縮應力；氣瓶正常工作時，內襯在工作壓力下產生拉伸應力和自緊的殘余壓縮應力疊加，內襯最大應力降低，外圍纖維應力提高，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襯。

3.2 內襯的穩定性

3.2.1 內襯的失穩模式

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

3.2.2 內襯穩定性設計

當氣瓶達到最大的工作強度時，瓶體雖然處于彈性范圍，但內襯卻產生、塑性變形，當氣瓶卸載后，瓶體回復到了原來的狀態，而部分內襯因為永久的塑性變形，不能恢復到原來的狀態，造成內襯的直徑變大，于是，就會受到纖維纏繞層的環向應力。在隨后的工作中，反復這個過程，當環向應力達到內襯的臨界壓應力,內襯就會失穩。為了提高氣瓶的結構效率和使用可靠性,宜采用較薄的內襯,但內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 結論

纖維纏繞氣瓶的設計關系到國家的能源使用和環境保護，隨著科技的發展而發展，為了發揮纖維纏繞氣瓶在氣瓶中的優勢，要不斷的完善氣瓶的結構和制造工藝。在設計過程中，根據纖維纏繞層的力學特點進行分析設計，通過對線型的調整，達到最佳的纏繞層設計；通過對內襯特點的分析，選取合適的內襯材料；通過對內襯的穩定性分析，選取屈服極限較大而彈性模量較小的內襯材料,加強內襯與纖維增強層的粘接強度，選取較薄的內襯，都會減少內襯的失穩，加強內襯穩定性。