碳纤维缠绕铝内衬储氢容器力学分析及优化控制.pdf

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1、第40卷第1期化工机械51碳纤维缠绕铝内衬储氢容器力学分析及优化控制郑传祥8李蓉王亮魏宗新(浙江大学)摘要基于经典复合板理论与网格理论简化了纤维缠绕金属内衬压力容器模型，提出正交各向异性假设并认为材料处于线弹性，应力由纤维承受，忽略压力容器复合增强层的拉应力与切应力耦合作用，分别得到内外压作用时的应力计算公式。提出纤维预紧力控制方法。优化纤维缠绕金属内衬压力容器最终应力分布，通过实例模型验证了理论推导及方法的合理性。关键词复合材料压力容器应力分布预紧力中图分类号TQ050．4+3文献标识码A文章编号0254_60

2、94(2013)0l·005lm6符号说明口——内衬内径；6——内衬外径；c——复合层外径；E——内衬弹性模量；Er一环向弹性模量；E『_轴向弹性模量；E_径向弹性模量；E．广一纤维长度方向弹性模量；E广纤维宽度方向弹性模量；G，。——纤维n￡平面剪切模量；z——简体长度；P_内衬受到的内压；Pl广一容器压力；P广第^层矿。’产生压力；^——第七层复合层外径；￡——单层纤维厚度；6——内衬真实厚度；占’——内衬虚拟厚度；8．广一环向应变；占。_一轴向应变；占，——径向应变；弘——内衬材料的泊松比；v——纤维泊松比

3、(不同下角表示不同方向)；盯——内衬真实应力；盯L内衬虚拟应力；旷。——总环向应力；盯。——环向应力；矿，——轴向应力；盯，——径向应力；盯，L_纤维预紧应力；盯，——纤维应力；盯。，’——第矗层纤维缠绕时施加的预应力；矿"r一第％层^产生环向应力；盯¨。，r一第尼层承受各层P。产生总环向应力；盯吨。。i■一第n层承受各层^产生总环向应力；矿吣。——预紧环向应力；下。——z-r平面内的切应力。近年来，世界能源危机和环境问题日益严重，各国正在积极、主动地开发新型清洁能源。氢气无污染、来源广且便于储存和运输，作为燃料

4、有着无可比拟的优势。目前，储存氢气的方式有金属氢化物储氢、液化储氢、吸附储氢和压缩储氢。由于成本和技术限制，压缩储氢是当前氢气储存的主导方式。压缩储氢的压力一般不超过35MPa，这很难满足车载氢燃料的供给。为了提高储氢密度，需要设计制造能够承受70MPa高压的氢气储罐。}郑传祥，男，1968年11月生，教授。浙江省杭州市，310027。52化工机械2013年传统的压力容器都是通过增加壁厚来提高其承压能力的，然而由试验和理论分析可知，这种结构并不能有效地利用材料强度，且成本较高。纤维增强复合材料质量轻、强度高，而且

5、具有可设计性，可以将其缠绕在金属内衬上，制得带预应力的高压储氢容器，但是复合材料各向异性严重，应力耦合关系突出，且其对环境温湿度敏感，使得材料本构关系尤为复杂¨’21。另外，纤维缠绕金属内衬压力容器结构复杂，经典网格理论或复合层板理论求解应力过程繁琐。为了在工程上实现预应力可控，需要建立一种简单但能满足一定精度的力学模型"。o。1应力分析1．1容器结构纤维缠绕金属内衬压力容器结构简图如图1所示，常见的纤维缠绕方式有环向、纵向、螺旋向或其组合方式。本模型采用螺旋缠绕，缠绕角为±a，正负交替缠绕。这种方式不仅对筒体的

6、环向和轴向都起到加强作用，而且消除了对内筒的扭剪作用，是一种合理的加强M“J。图1容器结构简图1．2模型简化纤维缠绕压力容器可分为内衬与增强层两个结构。内衬受到内压P。与增强层约束压力P。的作用，增强层在P0作用下发生变形。应力分析时，内衬视为厚壁圆筒，采用轴对称拉美公式。复合材料增强层由增强纤维与基质组成，各向异性严重，若将纤维缠绕层视为复合层板，在理论分析时不易计算预紧力。结合网格理论，忽略基质作用，就可以在力学模型中引入纤维应力盯，，从而实现预紧力可控一叫21。为简化复合层模型，提出以下假设：a．增强纤维横

7、观各向同性，复合材料增强层正交各向同性；b．复合层主要由纤维受力且处于线弹性，基质的连接固化作用使得复合层内无相互摩擦；c．复合层与内衬之间无相对滑动和摩擦。1．3理论分析纤维主方向上的工程弹性常数为E。，E，，ymG孔，将其变化到整体柱坐标系z印一r下，其中z为容器轴向坐标，9为环向坐标，r为径向坐标。缠绕角为±a，由三维刚度转变公式得¨3

8、：‰～；哿csin4a+c。s4a，一-。(麦一击一去)s岔口c。s2dE，=E7"E，(哿cos2a+争2a)1．3．1复合层应力分析(3)(4)(5)容器仅受内外压力作

9、用时，垂直于轴线方向的平面变形后必然是平面，因此z—r平面内的切应力7-；，=0，不计体力，平衡方程简化为：孥+!玉：o(6)1一+。=U【O，用环向应变s。和径向应变8，表示变形协调方程为：孥：÷("引(7)drr’忽略拉应力和切应力耦合，复合增强层应力一应变关系表示为：盯0U0rt，0。氏5瓦一瓦吒一瓦吒占，=一哿口。+暑一鲁吒cs，q2一百口。+瓦一瓦吒¨’s；=一