姚金莉 石章靖 黎文欢 杨 戈

环形气瓶缠绕参数的设计和分析

姚金莉 石章靖 黎文欢 杨 戈

（树脂基结构与功能材料技术湖北省工程实验室，孝感 432100）

利用蔡-吴准则分析了环形气瓶的初始缠绕角，再通过ANSYS有限元计算分析了气瓶金属内衬的整体强度和刚度，并对气瓶增强层的厚度进行了优化设计。最终确定的气瓶增强层的理论缠绕参数包括：增强层的缠绕初始角、缠绕层数、增强层质量和厚度等，为环形气瓶复合纤维增强层的加工提供了缠绕的理论工艺参数，也为类似产品的设计提供了参考。

环形气瓶；复合纤维；缠绕参数

1 引言

金属内衬复合环形气瓶由环形金属内衬和其外表面的复合纤维增强层组成。内衬的主要功能是存储介质并防止介质泄漏，承担内压载荷；复合材料增强层的功能是承担气瓶的部分内压载荷，主要用于增加气瓶的安全系数[1]。作为高压气体介质的贮存设备，其安全性备受关注。为保证整个气瓶的结构强度和疲劳强度，通过对复合纤维增强的设计和计算，从理论上分析复合材料的缠绕角度和缠绕层数等工艺参数，为产品的缠绕工艺及工艺参数提供依据。

2 设计初始条件

气瓶结构主要包括内衬和复合材料纤维增强层。内衬由2个半圆环体和2个接管嘴焊接为整体，材料为钛合金。复合材料纤维增强层，采用芳纶纤维和树脂基复合材料；芳纶纤维为增强材料，以提高缠绕速度、韧性和强度；树脂主要用于化学保护和作为粘结剂；两种材料共同作用具有特殊的力学性能。

工作压力：30MPa下不发生内衬屈服和缠绕层破坏，保守设计爆破压力为80MPa；总质量：不大于12.5kg；缠绕层质量：不超过4.5kg（钛合金内衬质量不大于8kg）。

环形气瓶数值分析采用的材料属性见表1。

表1 材料性能

3 气瓶缠绕角及厚度优化

根据缠绕工艺特性和气瓶的结构特点，保证不架空的纤维初始缠绕角不小于59º[2]；另外，考虑气瓶的结构特征，超过70º的缠绕角也难以兼顾环形气瓶的轴向强度，且螺旋缠绕角度过大时卷绕过多损伤纤维（超过70º应选择环向缠绕），得出气瓶的螺旋初始缠绕角的最佳范围为 60°～70°。

以缠绕单层厚度 0.2mm计算。由于气瓶采用±交替缠绕，而气瓶总质量不得高于 13kg，缠绕层质量不大于5kg。因而复合材料层数不超过14层。

分别模拟了缠绕角为60°、62°、64°、66°、68°以及70°时不同层数下的气瓶失效情况。由于气瓶的薄弱区域位于复合材料增强层的最外层，因此对该部位利用蔡-吴准则进行失效判断。

表2 气瓶缠绕角与层数变化

蔡-吴指标应小于1，且越小越好，由表2可知，起始缠绕角为64°，缠绕 10 层时可满足性能要求，且质量最小。考虑到有限元模型、材料参数和工艺缺陷导致的计算误差，取误差系数 20%，以起始缠绕角 64°、铺层数 12 层这一最优方案进行分析计算。起始缠绕角为64°时为五切点缠绕，为将交错位置错开，采用五切点、六切点（五交点、六交点）交错缠绕12层。

起始缠绕角为64°的五切点缠绕线型：根据环形内衬芯模的尺寸，通过Runge-Kutta方法做出一个周期内（360º）内圆环面测地线轨迹的三维仿真图形，如图1所示，常用的五切点缠绕线型的三维仿真结果，含圆环面上线型图和单纯纤维线条分布图。

图1 环形气瓶五切点线型图

4 金属内衬气瓶整体强度刚度分析

图2 钛合金内衬有限元模型

采用有限元分析软件分析气瓶数值。由于气瓶在爆破压力下钛合金存在塑性变形。因而采用具有较好非线性特性的Shell91单元建立全模型，模型见图2。钛合金内衬采用双线性随动强化模型（BKIN）模拟其塑性变形。

将计算得到的气瓶缠绕角及层数，代入金属内衬气瓶，进行整体的强度刚度校核。由上述计算可知，缠绕层数12层可满足要求，先进行12螺旋缠绕层缠绕（起始缠绕角为64°时，采用5交点、6交点交替缠绕）的强度刚度分析，根据分析结果再调整。

4.1 缠绕12螺旋缠绕层后气瓶的强度、刚度分析

由上述建模及有限元分析计算可知，缠绕12层后计算得出气瓶的爆破压力为86MPa，此压力下气瓶的应力及变形如图3所示。

图3 爆破压力86MPa下气瓶的应力及变形

缠绕层纤维方向应力范围为 1000～1530MPa，最大应力位于容器外侧，如图3a所示。垂直于纤维方向应力范围41.8～137MPa，较大区域发生严重的树脂撕裂，如图3b所示。剪切应力范围-230～-20.8MPa，最大应力位于容器内侧区域，该部位发生严重的树脂破坏，如图3c所示。钛合金内衬的等效应力范围 865～908MPa，整体发生塑性变形，如图3d所示。由建模及有限元计算得出缠绕12层后气瓶的在各压力下的应力及变形见表3。

表3 12层缠绕气瓶强度校核

从指标看，缠绕12层是满足要求的，但在37.5MPa时，钛合金内衬的等效应力范围 554～806MPa，考虑到结构层的离散系数较大，钛合金内衬没有足够的安全系数，需要增强；气瓶破坏时的缠绕层纤维方向应力范围最高为1530MPa，远低于纤维强度，纤维强度没有很好的发挥。内衬的应力最大处在气瓶内侧，方向为环向，因此螺旋缠绕层不必增加，需增加环向缠绕层可以满足钛合金内衬控制变形的要求，根据计算，拟增加两层环向缠绕层。

4.2 12螺旋缠绕层+2层环向缠绕层气瓶强度校核

由建模及有限元分析计算可知，缠绕12螺旋缠绕层+2层环向缠绕层后气瓶得出气瓶的爆破压力为98MPa，此压力下气瓶的应力及变形如图4所示。

图4 爆破压力下气瓶的应力及变形

缠绕层纤维方向应力范围为 759～1460MPa，最大应力位于容器外侧，如图4a所示。垂直于纤维方向应力范围 48.7～77.7MPa，缠绕层树脂撕裂，如图4b所示。剪切应力范围-60.2～-10.7MPa，最大应力位于容器内侧区域，该区域树脂发生撕裂，如图4c所示。钛合金内衬的等效应力范围 895～923MPa，整个钛合金内衬发生塑性变形，如图4d所示。

由建模及有限元计算得出缠绕12螺旋缠绕层+2层环向缠绕层后气瓶的在各压力下的应力及变形见表4。

表4 12层+2层缠绕气瓶强度校核

从表4可以看出，采取增加2层环向层的措施后，37.5MPa时，金属内衬的等效应力范围 507～647MPa，远小于TC4的屈服极限825MPa，高于实际应力27%，有较高安全性。

通过对金属内衬缠绕层的仿真计算，在环向增加2层环向层后，气瓶的爆破压强和钛内衬屈服压强均有明显提高。由此可证明本项目增加2层环向层的方案是合理和有效的。增强层设计结果如下：

a. 纤维缠绕层数：12螺旋缠绕层+2环向缠绕层；

b. 按缠绕层数，结合实际缠绕量计算，增强层重量：4.12kg；

c. 增强层厚度：外侧3.5mm，内侧7.6mm，高度4.5mm（单丝束厚度0.25mm）。

5 结束语

本文通过对环形气瓶复合纤维增强层的设计和有限元计算分析，从理论上确定了增强层的缠绕初始角、缠绕层数、增强层的理论质量和厚度等参数，为环形气瓶复合纤维增强层的加工提供了缠绕工艺参数，也为类似产品的设计提供了参考。

1 王小永. 航天系统用纤维缠绕金属内衬压力容器的寿命分析技术[J]. 玻璃钢/复合材料，2007(5)：47～52

2 何钦象，祖磊，李辅安. 复合材料环形高压容器缠绕参数设计与分析[J]. 宇航学报，2006，27(6)：1350～1355

Design and Analysis of Winding Parameters of Annular Cylinders

Yao Jinli Shi ZhangJing Li Wenhuan Yang Ge

(Hubei Provincial Engineering Laboratory of Resin Based Structure and Functional Materials Technology, Xiaogan 432100)

In this paper, the initial winding angle of the annular gas cylinder is analyzed by using CAI-Wu criterion, and then the overall strength and stiffness of the metal lining of the cylinder is analyzed by ANSYS finite element calculation, and the thickness of the reinforcement layer is optimized. Finally, the theoretical winding parameters of the cylinder reinforcement layer are determined, including the initial winding angle of the reinforcement layer, the number of winding layers, the quality and thickness of the reinforcement layer, etc., which provide the theoretical technological parameters of winding for the processing of the annular cylinder composite fiber reinforcement layer and also a reference for the design of similar products.

annular gas cylinder；composite fiber；winding parameter

姚金莉（1985），硕士，机械电子工程专业；研究方向：机械CAD/CAE。

2020-05-19