纤维缠绕球形贮箱刚度分析

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1、第19卷2013矩第6期11月载人航天MannedSpaceflightV01．19No．6Nov．2013纤维缠绕球形贮箱刚度分析何才启，晏飞(上海空间推进研究所，上海201112)摘要：对纤维缠绕球形贮箱在外压、内压和温差等作用下，进行应力、变形和稳定性等结构刚度分析。结果表明，与金属材料贮箱相比，纤维缠绕球形贮箱具有显著的刚度约束条件，如临界卸载内压和临界温差等。纤维缠绕球形贮箱在按强度要求进行结构设计和分析的基础上，还需校核刚度约束条件。为此，提出了纤维缠绕球形贮箱结构稳定性的各类临界载荷包括外压、卸载内压和温差等的计算公式及判据，为结构方案设计和研制的试验提供参考。关键词：纤维缠绕球

2、形贮箱；刚度分析；稳定性；临界载荷中图分类号：V414．9；V423．4+2文献标识码：A文章编号：1674-5825(2013)06-0044-07StiffnessAnalysisoftheFilamentWindingSphericalTanksHeCaiqi，YanFei(ShanghaiInstituteofSpacePropulsion，Shanghai201112，China)Abstract：Thestmcturalstiffnessincludingthestress．deformationandstabilityoffilamentwindingsphericaltanks

3、(FWST)underloadssuchasouterpressure，innerpressureandvariationsintern．peraturewasanalyzed．TheresultsindicatedthattheFWSThadobviousstructuralstiffnessrestric—tionsascomparedwithmetaltanks．ThestructuralstiffnessrestrictionshouldbecheckedinadditiontostructuraldesignandFEAwithmaterialstrength．Formulasofc

4、ritical10adsforstructuralstabilitywereproposedandcouldbereferredtoforthedesignandthetest．Keywords：filamentwindingsphericaltanks；stiffnessanalysis；stability；criticalloads1引言纤维缠绕复合材料压力容器作为一类重要的、高结构效率的压力容器，在汽车、航空航天等现代工业中得到了广泛的应用¨J。随着航天器规模和在轨时间均不断增长，空间推进系统贮箱需要装载更大容量的化学推进剂。结构干重受运载能力限制，对材料的比强度要求较高，为此高性能材料

5、将得到广泛的应用，如具有高比强度的碳纤维(约为钛合金13．6倍、铝合金23．5倍)’2。o。相对金属贮箱纤维缠绕贮箱所用材料由各向同性到各向异性，壳体结构由单层结构发展到多层结构，在贮箱的设计理论、成型工艺和研制性试验等方面较为复杂，对纤维缠绕贮箱的研制提出了更高的要求。纤维缠绕贮箱由壳体和内部管理装置组成，壳体包括纤维缠绕复合材料层、金属内衬和绝缘漆；纤维缠绕层主要承担强度，其本身是一种由纤维和基体构成的多层结构，纤维主要承受拉应力，压缩、弯曲和剪切等载荷由基体承担；金属内衬主要是密封介质，提供安装接口、纤维缠绕芯模和主要结构刚度。贮箱承受的载荷主要是内压，强度问题是压力容器研制过程中的首要

6、问题。依据强度要求进行压力容器的设计已经非常成熟，并建立了相关的设计标准，包括基于弹性失效准则的设计标准，如中国的GBl50Mo和美国的ASMEⅧ．1‘5o；基于弹塑性、疲劳等多种失效准则的分析设计标准，如收稿日期：2013-06-01；修回日期：2013-10—15作者简介：何才启(1980一)，男，硕士，工程师，研究方向为空间推进系统结构设计与分析，E-mail：qicai314@aliyun．com第6期何才启，等．纤维缠绕球形贮箱刚度分析45中国的JB4732∞o和美国的ASMEⅧ．2¨J。纤维缠绕压力容器的强度问题旧j，目前主要采用细观力学等理论分析方法∽。1⋯、有限元数值分析方法o

7、II-14]和试验方法‘1纠等进行研究。贮箱作为结构还承受外压、温差、过载和冲击等载荷，因此存在刚度问题，特别是大尺寸薄壁贮箱刚度问题尤为突出。对于金属材料贮箱的外压稳定性问题，相关理论较为成熟。16’17o，可参考设计准则[4。7I。纤维缠绕贮箱的不同材料层承受载荷后存在变形协调的问题，若层间变形不协调即意味着出现结构失稳，可采用复合材料叠层板壳理论018-20]进行结构刚度分析。纤维缠绕球形贮