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主管单位 中华人民共和国
工业和信息化部
主办单位 中国材料研究学会
哈尔滨工业大学
主编 苑世剑 国际刊号ISSN 1005-0299 国内刊号CN 23-1345/TB

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引用本文:肖杰立,饶聪,沈伟,陆伟国.铝内胆碳纤维全缠绕气瓶铺层设计[J].材料科学与工艺,2021,29(5):37-38.DOI:10.11951/j.issn.1005-0299.20200097.
XIAO Jieli,RAO Cong,SHEN Wei,LU Weiguo.Layer design of carbon fiber fully wound aluminum cylinder[J].Materials Science and Technology,2021,29(5):37-38.DOI:10.11951/j.issn.1005-0299.20200097.
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铝内胆碳纤维全缠绕气瓶铺层设计
肖杰立, 饶聪, 沈伟, 陆伟国
(核工业第八研究所,上海 201800)
摘要:
铝内胆碳纤维全缠绕气瓶的铺层设计主要基于网格理论,但该方法仅能得出满足爆破强度的参数,不能满足对铝内胆疲劳性能的要求,因而难以适应气瓶产品的设计需要。将网格理论与铝合金S-N曲线结合,提出一种基于铝合金疲劳寿命设计纤维缠绕层厚度的新方法。依据该方法给出的缠绕层厚度构建有限元模型,通过数值模拟确定合理的自紧力,计算不同载荷下的气瓶应力分布,根据爆破试验数据,利用有限元模型预测气瓶的爆破强度、失效位置及失效形式。结果表明:该设计方法可便捷地得出满足性能要求的气瓶缠绕层厚度;自紧力合理值可根据设计预期通过有限元分析得出;疲劳载荷下的缠绕层应力设计值与模拟值,偏差在允许范围内;运用该方法设计的气瓶能够同时满足疲劳和爆破性能指标,且失效位置、纤维应力比也符合标准规定。
关键词:  复合材料  高压气瓶  有限元分析  自紧  疲劳  爆破试验
DOI:10.11951/j.issn.1005-0299.20200097
分类号:TH49
文献标识码:A
基金项目:中核集团青年英才项目(Y1904).
Layer design of carbon fiber fully wound aluminum cylinder
XIAO Jieli, RAO Cong, SHEN Wei, LU Weiguo
(Eighth Research Institute of Nuclear Industry, Shanghai 201800, China)
Abstract:
The aluminum liner and carbon fiber fully wound cylinders is designed mainly based on the grid theory. However, this method can only obtain parameters that meet the burst strength but cannot meet the fatigue performance requirements. Combining the grid theory with the S-N curve of aluminum alloy, this paper proposes a new method for designing the layer based on fatigue performance. According to this method, the thickness of the winding layer is calculated and the finite element model is established. The reasonable autofrettage force is determined by numerical simulation.The stress distribution of the gas cylinder under different loads is clarified. Based on the burst test data, the finite element model is used to predict the burst strength, failure location and failure mode of the gas cylinder. The results show that the design method can easily obtain the gas cylinder winding layer thickness that meets the performance requirements. The reasonable value of autofrettage force can be obtained through finite element analysis according to design expectations. The deviation between the design and the simulated values of the winding layer stress under fatigue load is within the allowable range. Meanwhile, the gas cylinder designed by this method can meet the fatigue and burst performance indicators, and the failure location and fiber stress ratio also meet the standard requirements.
Key words:  compound material  high pressure cylinder  finite element analysis  autofrettage  fatigue  burst test

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