纖維纏繞氣瓶設計分析

       討論了具有金屬內襯的纖維纏繞氣瓶在加壓和卸壓過程中的變形特性。依據網格理論，給出了纖維纏繞殼體的設計方法。對塑性性能良好的金屬材料內襯，可用強度理論中的最大正應變準則進行強度設計。推導出氣瓶卸壓時內襯不失穩所應滿足的條件。為使卸壓時內襯不失穩，內襯與纖維纏繞殼體之間應有足夠的粘接強度，而且內襯的壁厚應越薄越好。對壁厚較薄的內襯，給出了氣瓶卸壓時內襯不失穩的最小粘接強度的確定方法。算例表明，文中給出的設計分析方法，可用于具有金屬內襯纖維纏繞氣瓶的初步設計。

       隨著纖維復合材料的發展和應用，航空和航天用金屬材料氣瓶逐漸被纖維纏繞氣瓶所取代，尤其是炭纖維纏繞氣瓶，近年來在航空和航天領域里得到廣泛應用。纖維纏繞氣瓶多采用塑性良好的鋁合金或鈦合金薄壁殼體作為內襯，該殼體既起密封作用，又是氣瓶纏繞成型時的芯模。因此，纖維纏繞氣瓶設計必須同時考慮纖維纏繞殼體和內襯殼體結構，及其在內壓作用下的相互作用。

        氣瓶的纖維纏繞結構設計可采用網格理論方法。對于塑性良好的鋁合金或鈦合金，其強度極限較低，在計算纖維纏繞氣瓶的爆破壓強時可忽略內襯的作用，直接由網格理論方法確定纖維纏繞殼體的壁厚。文獻[1]指出，具有金屬內襯的纖維纏繞氣瓶在內壓作用下，纖維纏繞殼體還在彈性范圍時，內襯已產生較大的塑性變形。因此，應采用塑性較好的材料作內襯，且允許內襯在塑性范圍內工作。這樣一來，內襯設計宜采用最大正應變理論進行強度校核。另外，氣瓶使用時要經歷加壓和卸壓等加載過程。充氣加壓至最大壓強時，內襯發生較大的塑性變形，而纖維纏繞殼體僅發生彈性變形，卸壓后該彈性變形得以回復，而產生塑性變形（不能回復）的內襯直徑增大，結果將承受一定的外壓作用。如果內襯與纖維纏繞殼體之間粘接不牢固，或有局部脫粘、弱粘等缺陷，往往會使內襯在外壓作用下失穩而出現塌陷的鼓包，當氣瓶再次充壓時，鼓包又被壓回，卸壓后，鼓包又出現，如此反復充壓、卸壓，會使內襯在低周疲勞下破壞。由此可見，對具有金屬內襯的纖維纏繞氣瓶，分析其在內壓作用下的變形及內襯失穩條件，是纖維纏繞氣瓶設計的重要任務。

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