祖　磊，汪　洋，王继辉，李书欣，王　路，谢丽婷

(武汉理工大学 材料科学与工程学院，武汉 430070)



钛内衬复合材料环形气瓶结构设计与优化

祖磊，汪洋，王继辉，李书欣，王路，谢丽婷

(武汉理工大学 材料科学与工程学院，武汉 430070)

根据微分几何，推导环形气瓶测地线缠绕轨迹以及缠绕角应满足的稳定缠绕条件，并针对不同切点数进行线型轨迹仿真。基于有限元分析，针对钛合金内衬环形气瓶的初始缠绕角及缠绕层数进行优化设计，并评估对比有、无环向补强层的环形气瓶承载能力。结果表明：本文设计的测地线轨迹精确可靠，很好地满足环形气瓶的缠绕工艺性。优化设计的缠绕参数既满足工艺可缠性，又能提高环形气瓶的结构性能。此外，有环向补强层的气瓶爆破强度提高了14%，钛合金内衬屈服强度提高了24.8%。因此，采用环向补强层有利于进一步提高环形气瓶的承载性能。水压实验结果表明本文设计方法预测的变形和爆破压力与实验值吻合良好。

复合材料；纤维缠绕；环形气瓶；测地线；结构设计

随着先进树脂基复合材料的不断发展以及成型技术的提高，其应用范围越来越广阔。成熟的技术也使得复合材料由最初仅用于制造装饰件而逐步发展为用于制造安全系数和质量要求更高的结构件。发展至今先进复合材料更是已广泛应用于要求严格的航空航天以及军事领域[1-4]。

纤维缠绕技术是复合材料压力容器的主要成型加工方法，由于其制品具有比强度高、比模量大、可设计性好、质量稳定、自动化生产效率高等显著优点，已广泛应用于国防及民用工业中，如固体火箭发动机壳体、高压气瓶、油气管道、储罐、汽车及船舶工业等[5-9]。……