两种不同铝内衬碳纤维缠绕复合材料气瓶受力状况的对比分析

摘要 ：基 于复合材料层合板弹塑性分析理论 ，参考 ＤＯＴ ｃＦＦｃ《铝 内胆碳 纤维全缠 绕复合 气瓶 的基 本要 求》标 准 ，利 用 网 格 理 论 设 计 了容 积 ７０Ｌ的 铝 内衬 碳 纤 维 缠 绕 复 合 气瓶 。 在 相 同的预 紧力 和 工 作 压 力 下 ，研 究 对 比 分析 了两 种 不 同型 号铝 合 金 ６０６１和 ７０７５作为 内衬 的气瓶 的受力状 况。结果表 明，铝合金 ６０６１作 为 内衬时 ，其 内衬应 力水平 分布 比较 均匀，可以更好地发 挥外缠碳纤 维的 高强度特性 ，且价格 经济 实惠，较 ７０７５更适合 作为复合材料 气瓶 的 内衬材料。
国外的标准以及实际情况制定了ＧＢ ２４１６０－２００９（车 气 瓶 的疲劳 以及 爆 破 性 能 影 响 较 大 ；文 献 ［９］提 出
用压 缩天 然气 钢制 内胆环 向缠绕 气瓶 》标准 。
了一种等效降温法 ，将缠绕张力产生的预应力 等效
国 内外 研究 者根 据不 同 的标 准从 不 同角 度 出发 模 拟 为复合 材 料层 降温 产 生 的 预应 力 ，通过 理 论 推
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两种 不 同铝 内衬 碳 纤 维缠 绕 复合 材 料 气瓶 受 力状 况 的 对 比 分 析
２０１６年 ６月
两 种不 同铝 内衬碳 纤 维缠 绕 复 合材 料气 瓶 受力 状况 的对 比分 析
周 丹 ，王应军 ，孙 明清
（武汉理工大学理学 院工程结构与力学系 ，武汉 ４３００７０）
合气瓶标准 ＩＳＯ １４３９—２０１３（车用压缩天然气气瓶标 声发 射 的检测 方法研 究 缠绕 张力对 薄壁 金 属 内衬 复
准》、美 国制定的 ＤＯＴ ＣＦＦＣ－２０００（铝 内衬全缠绕碳 合 材料 气 瓶 的疲 劳 以 及 爆 破 性 能 的 影 响 。结 果 表
纤维增 强 复合气 瓶 的基本 要 求 》标 准等 。 我 国根 据 明，薄壁金属内衬的外压强度较小 ，缠绕张力对复合
对其进行 了大量的试验与研究。文献 ［１］介绍了铝 导得 到 了缠 绕预 应力 与复 合材料 层 降温 量 之 间 的计
内胆 全缠 绕气 瓶 的 内胆 、缠 绕 层 、自紧 的设 计 要 点 ； 算公式 ，基于等效降温法并利用通用有 限元 软件研
文献 ［２］利用 最大应变 准则预测 了气瓶 的爆 破压 究了缠绕张力对环缠绕复合材料气瓶应力 的影 响；
关键词 ：复合材料 ；铝合金 内衬 ；有限元分析模 型 中图分类号 ：ＴＢ３３２ 文献标识码 ：Ａ 文章编号 ：１００３—０９９９（２０１６）Ｏ６—００７６—０６
１ 引 言
具 ，说 明了 自紧压力 的优 化 过程 ；文 献 ［７］运 用 最 大
目前 ，有 关制 造 复合 材 料 高 压 气 瓶 的 标 准 不统 应力 准则 与最 大 应 变 准则 预 测 爆 破压 力 ，结 果 表 明
玻璃纤维缠绕的复合气瓶 ，结果发现纤维的方 向、铺
然 而 ，有关 不 同的 内衬 材 料 对 复 合 材 料 气 瓶 性
层 的顺 序 和铺层 的层数 都会 对纤 维缠绕 层 的 强度 造 能影响的研究却 比较少 。本文基于复合材料层合板
成 影 响 ；文献 ［６］利 用 ＡＮＳＹＳ有 限 元 软件 为 分 析 工 理论 及 弹塑性 理论 ，并 参 考 ＤＯＴ ｃｖｒｃ（铝 内胆碳 纤
模 拟 了层合板 渐 进 损 伤过 程 ，建 立 了损 伤 后 刚度 衰 关系，根据封头段的基本方程 ，对等张力 的封头段进
减模 型及 刚度 退 化 准则 ，对 纤维 缠 绕 复 合 材 料 压力 行 网络分 析 ；文 献 ［１１］应 用解 析 计算 的方 法 对 铝 内
容 器进 行 了数值 分 析 ；文 献 ［４］探 讨 了具 有金 属 内 衬碳 纤维 全缠 绕复 合材 料气瓶 在 内压情 况 下 的 弹塑
力 ，通过 分析结 果 与相应试 验结 果对 比 ，验证 了建模 文献 ［１０］针 对 纤 维 缠 绕 的复 杂 性 和 不 确定 性 提 出
与分 析 方法 的正 确性 ；文 献 ［３］利 用 渐 进 破 坏 方 法 了网络分 析 的概 念 ，给 出 了 网络 分 析 与 纤 维 缠 绕 的
一 。 常见 的有 ：欧洲 标 准 化技 术 委 员 会 编 制 的 复合 采用 最大 应变 准则 来 预 测 爆 破 压力 ，其结 果 与 ＤＯＴ
气瓶规范 ＥＮ １２２４５．２００２（可运输气瓶．全缠绕复合 ＣＦＦＣ（铝 内衬 全缠绕 碳纤 维增 强复 合气 瓶 的基 本 要
材料气瓶》标准 、国际标准化组织批准的纤维缠绕复 求》标准 中的最小爆破压力较为接近 ；文献 ［８］采用
衬 的纤 维 缠 绕 气 瓶 在 加 压 和 卸 压 过 程 中 的变 形 特 性历 程进 行 了分析 ，并推 导 了气瓶 的 自紧力 范 围 ，通
性 ，并 根据 网格理 论 ，推 导 出气瓶 卸压 时 内衬 不失 稳 过水 压应 变测 试及 疲劳 试验 的方 法进 一步 验 证 了推
所应满足的条件 ；文献 ［５］研究 了以聚乙烯为 内衬 导 结果 的合理 性 。
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２０１６年第 ６期
玻 璃 钢 ／复 合 材 料
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维全缠绕复合气 瓶 的基本要求 》标准 ，通过 ＡＮＳＹＳ 部分在有 限元建模 中，采用近似等厚度单元划分 网 有限元软件对 ７０Ｌ铝内衬碳纤维缠绕复合气瓶进行 格 的方法 ¨引。在整个 封 头壳 体 部 分 ，为 了避 免 出现
分 析 。在相 同的 预 紧力 和工 作 压 力 下 ，研 究 两 种 不 较大的误差 ，在保证单元形状规则的情况下 ，一般使
收稿 日期 ：２０１５．１２．３１ 作者简介 ：周丹 （１９８９一），女 ，硕士研究生在读 ，主要从 事复合材料结构力学方面的研究。 通讯作者 ：王应军 （１９６７一），男 ，副教授 ，主要从事复合材料力学及有 限元分析 ，ｗｙｊ９５９５０＠１２６．ＣＯｆｌ。
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