复合材料缠绕气瓶可靠性验证技术

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1、制造技术研究2015年4月第2期复合材料缠绕气瓶可靠性验证技术王祥龙朱小兰程彬刘志栋（兰州空间技术物理研究所，兰州730000）摘要：根据航天器用复合材料气瓶高可靠性特点，对复合材料气瓶的可靠性进行了分析，气瓶的失效模式主要为泄漏和爆破，影响因素分别为疲劳寿命和承压能力，其中疲劳寿命主要受内衬影响，而承压能力主要由复合层性能决定。最后对气瓶的可靠性试验进行了描述，举例说明了气瓶的可靠度试验验证方法。关键词：复合材料高压气瓶；可靠性；疲劳寿命；空间环境ReliabilityVerificationTechnologyofCompositePres

2、sureVesselWangXianglongZhuXiaolanChengBinLiuZhidong(LanzhouInstituteofPhysics,Lanzhou730000)Abstract：Accordingtothehighreliabilitycharacteristicsofcompositepressurevesselforspacecraft,thereliabilityofvesselisanalyzed.Themainfailuremodesofvesselareleakandrupture,andinfluencef

3、actorsarefatiguelifeaffectedbylinerandresistancetopressuredeterminedbyperformanceofcompositelayer.Finally,reliabilitytestofvesselisdescribedandverificationmethodisillustratedthroughexamples.Keywords：compositepressurevessel；reliability；fatiguelife；spaceenviroment[3]1引言的强度、应力和

4、壁厚等均受到许多随机因素的影响。复合材料缠绕气瓶作为高压气体介质的贮存设2可靠性计算理论基础备，在各类航天器上得到广泛的应用。航天用高压气瓶由于不可维修性和危险性，一旦出事故将会造成很复合材料气瓶的可靠性分析通常采用应力-强度大影响，因此，气瓶必须具有高可靠性。复合材料缠干涉法，其应力和强度均服从正态分布，如图1所示。绕气瓶的可靠度主要采用应力-强度干涉法计算，由)2于复合材料缠绕气瓶离散型较大，影响其可靠度的因f(x)(x222素主要有缠绕线性、缠绕张力、纤维的发挥系数等。f,f1(x1))1(x1强度目前，对复合材料压力容器结构可靠性设计理

5、论的研f应力[1]σσ2究较少。1国内外在复合材料气瓶设计时通常采用传统的xxx,x[2]1212安全系数法，该方法操作性好，但通常比较保守，并且不能定量地分析气瓶的性能。设计标准通常只给图1应力-强度干涉模型出了安全系数的范围，没有考虑复合材料气瓶由于强度、应力、材料参数和工艺控制等引起的误差，气瓶应力和强度的均值与标准偏差分别为X1、X2和作者简介：王祥龙（1976-），硕士，机械设计与制造专业；研究方向：航天压力容器设计与试验。收稿日期：2015-01-0946制造技术研究航天制造技术[4]σ1、σ2，由图1可见，尽管X2>X1，但是该两

6、条寿命与塑性应变之间的变化关系。对于钛材料，该曲线的重叠部分，仍存在X2＜X1的可能性，即存在气公式的具体应用形式为：2瓶破坏的可能性。当X2＜X1时，气瓶发生破坏。1εf则结构的可靠度为：N=∆（6）4εpR=P(X−X)>0)21∞X（1）式中：N——气瓶循环次数；εf——钛材料的极小2=[f(X)dX]f(X)dX∫−∞∫−∞111222断裂应变；Δεp——循环中钛材料的塑性应变变化量。式中：X1——压力容器的应力；X2——压力容器利用有限元分析对气瓶在工作压力和零压力状强度；f(X1)——应力的概率密度函数；f(X2)—

7、—强度态进行分析，可得到内衬在这两种状态下的塑性应的概率密度函数。变，内衬材料工业纯钛的极小断裂应变为30%，利用令强度X2与应力X1之差为可靠性随机变量Z，既式（6）可计算除内衬在最大工作压力下的循环寿命。Z=X2-X1，由于X2和X1均满足正态分布，根据正态分3.2气瓶强度可靠性布函数特点，变量Z也服从正态分布，可得Z的均值Z复合材料气瓶强度主要由纤维层决定，根据网络和标准偏差σ为：理论，可建立纤维厚度与气瓶压力之间的对应关系。Z=X−X气瓶复合层可靠度R可分别按式（7）和式（8）计算：（2）21µ−µsl22Z=（7）σ=σ+σ（3）22

8、12σ+σsl则Z的概率密度函数为：式中：Z——可靠性系数；µs——材料的强度平21(Z−Z)f(Z)=exp[−]（4）均值，MPa；µl——容器的