关于复合材料气瓶纤维壁厚的设计计算

[2]陈汝训.纤维缠绕气瓶设计分析[J].固体火箭技术,2008,31(06):625-628+634.

1. 纤维螺旋厚度与环向厚度计算

• 单一螺旋缠绕圆筒

  单一螺旋缠绕气瓶压力容器的平衡方程为  
  
      、    。为满足这两个方程，需满足均衡型条件    ，即     。此时，圆筒段的爆破压强为     ，同理如果我们前期未做相关计算，我们可以通过水压爆破试验去反推我们纤维实际的 发挥强度，不过现在气瓶都是螺旋加环向缠绕。  

• 螺旋缠绕加环向缠绕圆筒

  
   
  对于螺旋缠绕加环向缠绕圆筒，其平衡方程为     、    。实现均衡型应变状态时，    ，进而得到环向与螺旋向纤维厚度比公式    。若螺旋向和环向纤维抗拉强度极限相同为     ，则螺旋向纤维厚度     ，环向纤维厚度     。如在满足均衡型缠绕条件下，纤维总厚度     ，且缠绕角决定纵向和环向纤维厚度分配，就是纤维的总厚度不与缠绕角有关系，只与半径和爆破压强有关系。  
  
   

2. 爆破压强计算

• 圆筒爆破压强计算

  
   
• 在应变均衡型缠绕条件下，螺旋加环向缠绕圆筒与单一螺旋缠绕圆筒的爆破压强表达式相同，均为     。但是在实际过程中，并不是理想的均衡应变缠绕，为了补强螺旋和防止封头过厚，一般要进行补强和扩孔处理。，    和环向缠绕爆破压强     ，圆筒段的爆破压强为     ，不过对于气瓶的设计要求来说，要让气瓶在筒体爆炸，属于安全的爆炸形式，因此在设计中要让环向先发生爆炸。

• 
  封头爆破压强计算

  
   
• 在网格理论意义下，纤维缠绕圆筒压力容器的封头以等张力封头最为合理，但是目前在试验过程中不同封头类型对爆破影响的不是很大，考虑设计和工艺并未完全想匹配，由于是IV储氢气瓶，无论采用椭球封头，还是等应力封头，我个人认为意义不是特别大，因为瓶口位置的结构突变，已经存在很大的应力集中现象，主要降低圆筒和过渡处的弯曲应力，弯曲小一点，力也会小一些。
  其爆破压强为     。当圆筒压力容器长径比不大时，以等张力封头爆破压强公式为基础，采用经验系数法确定爆破压强，如     ，其中    为应力平衡系数，纤维缠绕椭球封头的    较小，如椭球比为 2 的封头，    一般取 0.7 ，关于系数的话，是工程经验常数，大家可以根据自己的实际进行取值。我建议大家可以把公式编制成一个计算表格，方便计算推演。