球形高压复合材料缠绕气瓶的缠绕层结构研究

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1、冬专蔓尊加工2012年2月弟1期锯删批球形高压复合材料缠绕气瓶的缠绕层结构研究李华董飞(西安航天发动机厂，西安"／10100)摘要：对球形高压复合材料缠绕气瓶缠绕层结构进行了理论分析，并根据气瓶受力分析及其网格理论的计算方法，编制了一套计算软件程序，按此软件程序计算了气瓶缠绕层结构，利用ANSYS大型有限元程序建立气瓶缠绕层模型并进行了强度校核，经过鉴定试验分析，验证了气瓶缠绕层工艺结构设计的合理性．关键词：复合材料缠绕气瓶；有限元分析；缠绕层ResearchonWindingLayer’SConstr

2、uctionofSphericalHigh-pressureCompositeMaterialWindingGasCylinderLiHuaDongFei(Xi’allSpaceEngineFactory,Xi’an710100)Abstract：Thispapergivesatheoreticalanalysisonthewindinglayer'sconstructionofthesphericalhigh-pressurecompositematerialwindinggascylinder,Ac

3、cordingtotheforceanalysisofthegascylinderanditscalculationmethodofthegridtheory,asetofcalculationsoRwareprogramiscompiled．Basedonthesoftwareprogram,thewindinglayer’Sconstructionofthegascylinderiscalculated．ByUSeofthelargescaleFEMprogramANSYS，themodelofth

4、ewindinglayersofthegascylinderisfirstlyestablishedandthanitsstrengthiSchecked．Theverificationanalysisofthequalificationtestshowsthatthetechnologicalstnlctureofthegascylinder’swindinglayersiSrational．Keywords：compositematerialgascylinder；FEManalysis：windi

5、nglayers1引言球形高压复合材料缠绕气瓶(以下简称复合材料缠绕气瓶)具有质量小的优势和爆破前先泄漏的安全失效模式，正在空间系统中取代传统的纯金属气瓶。复合材料缠绕气瓶采用钛内衬、外覆盖碳纤维，环氧树脂复合材料缠绕层结构。复合材料的显著优点是比强度高、比模量大、抗疲劳性能好。复合材料具有的这些优点正好满足航天系统对减轻结构重量的特殊要求，这使它成为空间系统上应用越来越多的重要材料。但是复合材料具有强烈的各向异性和非均质性的特点，因此它的力学性能比较复杂。本文阐述一种用于发动机系统贮存高压气体，为系统

6、工作提供初始能源和介质的复合材料缠绕气瓶的缠绕层结构设计。由于气瓶缠绕层加工和承载的特殊性，使气瓶缠绕层的结构设计分析技术成为研制气瓶实现高性能的关键之一。2复合材料缠绕气瓶主要技术指标作者简介：李华(1969-)，高级工程师．机械工程专业；研究方向；液、气压设备研究。收稿日期。201卜∞一2I复备甘一加二航天制造技术复合材料缠绕气瓶主要技术指标：气瓶形状为球形；设计压力40MPa；验证压力50MPa；爆破压力>／80MPa；安全系数／>2；容积15L；密封性。

7、。◆图1复合材料缠绕气瓶实物图3缠绕层设计3．1缠绕层材料选择复合材料缠绕气瓶必须满足技术性能。缠绕层主要承担压力载荷，选择合理的材料尤为重要。缠绕层增强纤维主要有碳纤维、芳纶纤维和玻璃纤维三类。比强度和比模量是衡量纤维性能的一个重要指标。提高比强度和比模量可以在保证气瓶整体强度的情况下，减少缠绕层的厚度，从而减少质量。综合比较三类纤维的弹性模量、热稳定性的指标，选用碳纤维作为缠绕层材料。从碳纤维供应方面以及工艺应用技术方面考虑，缠绕层材料选用碳纤维T'／00。其具体性能指标如下：密度：1．56～1．7

8、9／cm。；纤维强度：4900MPa；弹性模量：Ex=0．133x106MPa；E瑚．104MPa；EZ---0．104MPa：泊松比：PRXY=0．29；PRYZ=O．35：PRXZ=0．29。3．2缠绕层结构方案缠绕层是承担压力载荷的主体，复合材料缠绕气瓶的安全失效模式要求缠绕层能承受内衬开裂后产生的载荷转移。为了提高性重比，缠绕层尽量设计为球形。材料由高性能碳纤维盯00和环氧树脂湿法缠绕固化而成，缠绕方式为平面缠绕。缠绕气瓶的理想结构