氣瓶內襯屈服強度對環纏繞復合氣瓶疲勞性能影響的研究

由宏新

(1.中國船舶科學研究中心 深海載人裝備國家重點實驗室，江蘇無錫 214082；2.大連理工大學 化工機械與安全學院，遼寧大連 116024；3.大連鍋爐壓力容器檢驗研究院，遼寧大連 116006)

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纖維纏繞的復合材料氣瓶與全金屬氣瓶相比，具有質量輕、比強度高、抗疲勞性能好等優勢，在海洋工程、艦船、航空航天、汽車等領域得到廣泛應用，如呼吸系統用氣瓶、航海救生筏充氣用氣瓶、車用壓縮天然氣氣瓶等[1-2]。鋼質內膽環纏繞(CNG-Ⅱ)復合氣瓶作為復合材料氣瓶的一種，是車用領域用于充裝壓縮天然氣的關鍵部件。CNG-Ⅱ復合氣瓶主要由金屬內襯、纖維纏繞層組成，纏繞層纖維材料的承載能力遠高于內襯金屬材料[3]。因此，內襯工作時的受力狀況、疲勞性能是決定環纏繞復合氣瓶使用壽命長短的關鍵性因素[4]。

在探究復合氣瓶的應力分布對氣瓶疲勞壽命影響過程中，相關學者大多通過固定氣瓶內襯材料的力學性能，優化氣瓶的自緊壓力[5]、纏繞張力[6]或氣瓶內襯結構[7]，得到最佳抗疲勞性能。劉培啟等[8-9]從考察內襯工作壓力下所受應力幅與環向平均應力出發，研究自緊壓力對氣瓶疲勞壽命的影響，得出自緊壓力增大引起的環向平均應力降低是提高氣瓶抗疲勞性能的主因。蘇鏡元[10]將纏繞張力等效為內膽的當量外壓力，采用逐層纏繞方法，通過有限元分析發現纏繞張力能夠對氣瓶內膽產生預應力，較小的纏繞張力能夠改善氣瓶的應力分布。李清婉等[11]研究表明，內膽壁厚增加，能夠小幅度提高環纏繞復合氣瓶的抗疲勞性能。……