金属内衬纤维缠绕复合材料压力容器强度分析.doc

1、金属内衬纤维缠绕复合材料压力容器强度分析【摘要】：给出了含内衬纤维缠绕筒承受内压时的强度分析模型，假设内衬为理想弹塑性材料，将模型分为弹性和塑性两个阶段，分别得到了缠绕筒的工作压强与爆破压强。应用该模型计算了含钢内衬纯碳纤维缠绕筒和含钢内衬纯玻璃纤维缠绕筒的工作压强和爆破压强，并预测了缠绕筒的破坏模式。水压实验结果表明，该强度分析模型与实验结果吻合较好。 【关键词】：内衬；纤维缠绕筒；水压实验；工作压强；爆破压强；破坏模式 中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号： 引言 含内衬增强纤维缠绕容器已广泛应用于航空、航天、储存和运输等领域。内衬为各向同性材料，纤维层为各向异性材料，由于内外性

2、能的差异，导致含内衬纤维缠绕容器整体性能的复杂性。内衬主要起密封作用，纤维层才是主要的承载层，两者共同作用才能使缠绕容器获得良好的力学性能。本文将三维弹性问题处理成广义平面应变问题，从内衬和纤维层的材料性能出发，建立力学平衡方程，再根据边界条件，得出内衬和纤维层的位移、应变和应力分布。根据该理论模型计算了钢内衬纯碳纤维缠绕筒和钢内衬纯玻璃纤维缠绕筒的工作压强和爆破压强，并预测了缠绕筒的破坏模式，最后通过水压实验进行了验证。 一、纤维缠绕复合材料压力容器结构简介 缠绕复合材料管道因其高的比刚度、比强度、耐腐蚀、良好的隔热等性能，在许多工业领域都有广泛的应用。复合材料还具有性能可设计的优点，通过改

3、变缠绕角度可以适应不同的载荷条件，例如圆柱形薄壁压力容器受内压时筒壁内轴向正应力为环向正应力的一半，缠绕角为 55时可使复合材料受力最合理。复合材料压力容器是由纤维缠绕复合层与金属内衬组成。内衬由圆柱段、等张力封头组成。纤维缠绕复合层采用的线型为螺旋线缠绕与环向缠绕相结合，其中封头部分全部为螺旋缠绕，圆柱段为螺旋缠绕与环向缠绕的组合。采用三维各向异性弹性理论分析内压和轴向组合载荷下复合材料缠绕管道各缠绕层中的应力，模型考虑管壁厚度引起的拉剪耦合效应. 二、 应力分析模型 由于缠绕筒较长，可将三维弹性问题处理成广义平面应变问题.由于管道截面处的位移、应变( 应力) 均是轴对称的，管壁中的位移可写

4、为 分别为径向、环向和轴向位移; r、z 分别表示径向、环向和轴向，见图 1; k 是第 k 缠绕层( 此规定对后面的应力、应变同样适用) 。虽然通常按+ 、 成对缠绕，但因它们的半径会有一个缠绕层厚度的差异，因此不是严格地对称铺层，会有轴向拉扭耦合( 在展开面内就是拉剪耦合) 。设每个缠绕层单位长度的扭转角度 0 和轴向应变 0 均相等，即满足应变一致假设。利用轴对称条件，可写出几何方程。 平衡微分方程式( 2) 、式( 3) 中，ki、kij 为正应变和剪应变，ki、kij 为正应力和剪应力( i，j = r，z) 。对式( 3) 的后两式积分，分别可得: 其中，Ak、Bk 为积分常数。物

5、理方程为 其中，Cmn 为单缠绕层的刚度系数; m，n = 1，2，6。 将式(4) 、式(5) 代入式( 2) ，得到 由 r 的任意性可以推导出 Ak = Bk =0。对式(2)进行积分，可得 ( 7) 和式 ( 2) 可得 kr = 0，进而由式( 5) 推出横向剪应力kr = kzr = 0。通过式 ( 2) 和式( 5) 将应力分量用位移分量表示，并代入式( 3) ，可得非齐次的欧拉方程 此方程的解为： 其中 Kk、T k 为待定系数。若管道有 N 个缠绕层，则共有 2N + 2 个待定系数，待定系数 Kk、T k、0、0 可由边界条件确定，k = 1，2，N。管道内外表面的法向正应

6、力分别等于内压和零。 式中，P 为内压，ri、ro 为管道内径和外径。内外表面横向剪应力均为零的条件自然满足。而相邻的缠绕层之间假设均为理想粘结，故位移和应力均连续 其中，rl 为第 l 和第 l + 1 个缠绕层界面的径向坐标，式( 12b) 和式( 13b) 自然满足。每层轴向应力总和等于管道受到的轴向合力 F，而每层面内剪切应力的合力为零。 有式(11a) 、式(11b) 、式(14) 、式(15) 、式(12a) 、式(13a) ( L = 1，2，N 1) 共 2N + 2 个方程，故所有的待定参数可以唯一确定。式( 9) 各系数及 0、0 确定后，代回式( 2) 和式( 5) ，可

7、求出各缠绕层的应力。 1) 对于缠绕复合材料厚壁管道，由于各缠绕层半径的差异引入的附加面内剪应力沿厚度方向( 从内部向外壁) 逐渐增加，造成外层应力大，比内层先破坏。内外层强度包络线差别明显，因此管道厚度的影响不可忽略。 2) 建议一种缠绕角度由里向外递增的公式，可以使厚壁管道中各缠绕层的应力分布更加趋同，在不增加缠绕层数和不明显改变管道轴向和周向性能的条件下，显著增强管道的内压承载能力。 3）内衬的弹性变形范围是提高容器承载能力的有效途径，选择不同的纤维缠绕张力，会给内衬施加一定的预外压力，使得零压时内衬处于受压状态，从而增加了内衬在加载时变形的弹性范围。 三、纤维缠绕筒水压实验 、含内衬纯

8、碳纤缠绕筒水压实验含钢内衬纯碳纤维缠绕筒在水压为时，发生筒身、包括钢内衬整体径向断裂. 、含内衬纯玻纤缠绕筒水压实验 含钢内衬纯玻璃纤维缠绕筒在水压为时，没有发生爆破，筒身外形基本完好，但筒内径明显增大，且钢内衬沿轴向贯穿全长开裂，这是因为玻璃纤维层发生了很大的变形，卸载后回弹幅度较大，挤压已发生很大塑性变形的钢内衬，使其失稳破坏，所以沿轴向开裂. 结论 给出了含内衬纤维缠绕筒承受内压时的强度分析模型，计算了含钢内衬纯碳纤维缠绕筒和含钢内衬纯玻璃纤维缠绕筒的工作压强和爆破压强。计算结果表明，钢内衬纯碳纤筒的最大工作压强为 31.9，高于钢内衬纯玻纤筒的 22.9。在 38.4时，纯碳纤筒径向爆

9、破，环向应变为 0.847，而此时纯玻纤筒虽没有爆破，但应变为 1.337，远远大于纯碳纤筒。 水压实验结果表明，含钢内衬纯碳纤筒 38时径向爆破，钢内衬纯玻纤筒加载到 31时虽没有爆破，但内径明显增大，卸载后内衬沿轴向贯穿全长开裂。 强度分析模型与水压实验结果吻合较好，在限制许用应变时，玻璃纤维性能得不到很好发挥，所以含内衬碳纤维缠绕筒的承压性能要优于含内衬玻璃纤维缠绕筒。 参考文献： 1陈汝训纤维缠绕圆筒压力容器结构分析J固体火箭技术，2008 2赵立晨金属内衬纤维增强复合材料筒体设计J宇航材料工艺，2009 3边文凤，王小燕复合材料容器最佳预压力的研究J固体火箭技术，2009 4邢静忠，陈利内外压作用下纤维缠绕厚壁柱形容器的强度J复合材料学报，2011 5张超峰.奇才.压力维缠绕厚壁柱形容器的强度J宇航材料工艺，2010