面向设计的纤维缠绕复合材料压力容器结构分析方法

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1、!""#年%%月强度与环境*+,-!""#第#"卷第&期!"#$%"$#&’&()*#+(,&("&(-*(&&#*(-基金项目：.+/-#"，*+-&!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!文章编号：%""’$#(%（(!""#）"&$""!%$"’面向设计的纤维缠绕复合材料压力容器结构分析方法晏飞朱智春（上海航天技术研究院博士后科研工作站，上海，!""!##）摘要：基于薄膜理论和经典层合板理论，导出了纤维缠绕轴对称壳的薄膜内力、应力、应变和位移等计算公式，旨在探讨一种面向纤维缠绕复

2、合材料压力容器设计的结构分析方法。最后，通过两个算例评估了方法的有效性。关键词：薄膜理论；经典层合板理论；纤维缠绕复合材料压力容器；结构分析中图分类号：.&%&-%；.!0)1-0文献标识码：2./01234+51/36/7!6589685:;<3:;=010,/6>?7?;?2=?@A1;:B/36C?837%?BD?016/E5/0085/)/00/;032*4567897:6$;:<=（>+?@A+;@+BC/D+BE5B?@C@6+=+FG2GH，G:C=I:C6!""!##，J:6=C）

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5、、纤维缠绕角和缠绕层厚度等参数，我们可以设计出最有效地承受内压载荷的压力容器结构。这是纤维缠绕压力容器最突出的优点，它突出了纤维缠绕压力容器结构优化设计的必要性和重要性，而收稿日期：!""#$"%$!&修回日期：!""#$"’$%’作者简介：晏飞（%(’&$），男，高级工程师，博士，研究方向：飞行器结构设计和分析；（!""!##）上海市桂平路’)"号)"%所。朱智春（%(’’$），男，高级工程师，博士，研究方向：飞行器结构设计和分析；（!""!##）上海市桂平路’)"号)"%所。万方数据""强度与环境"$$#年!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

6、!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!快速可靠的结构分析方法是保证纤维缠绕压力容器优化设计成功的关键。传统上，纤维缠绕压力容器设计中最常用的结构分析方法是网络理论［!］。网络理论具有简单、易用和快捷的特点。但它忽略了基体的承载能力和纤维与基体粘接界面的影响，分析结果比较粗糙，基于它的压力容器设计也比较保守。另一种比较常用的结构分析方法是有限元方法。它通用性强、计算精度高、数值性质良好，能够分析比较复杂的结构。但要在纤维缠绕压力容器设计中广泛使用它，仍然具有一定的难度，因为有限元建模和求解需要花费大量的时间和费用。因此，在纤维缠绕压力容器设

7、计中，应当权衡分析精度和计算效率两方面的要求，选择合适的结构分析方法。鉴于此，本文基于薄膜理论和经典层合板理论，提出了一种面向设计的纤维缠绕压力容器结构分析方法，旨在提高纤维缠绕压力容器的设计效率和质量。"结构理想化纤维缠绕压力容器壳体的纤维分布特征为（!）纤维排列关于子午线是对称的；（"）纤维与子午线的夹角!是变化的，!为平行圆半径!的函数，即!"!（!）。赤道圆上的缠绕角等于"，极孔上的缠绕角等于##"；（#）由物质守恒定律知，通过平行圆法截面的纤维总量等于通过赤道圆法截面的纤维总量。由于平行圆半径是变化的，所以壳体的厚度也是变化的，即$"$（!）。因此，压