·计算材料学，
碳纤维缠绕复合气瓶自紧力和疲劳的数值模拟
陈亮孙红卫2
陈国清
任明法
（1大连理工大学，大连116085）
（(2航天材料及工艺研究所，北京100076）
周文龙
文摘采用数值模拟方法研究了自紧工艺对碳纤维缠绕复合气瓶的应力分布和疲势性能的影响。基于 ANSYS商用有限元分析软件，考虑气瓶封头部分碳纤维续绕层的角度和厚度沿封头子午线的连续变化，建立了有限元模型。分析验证了54MPa自紧压力对复合气瓶零压和35MPa工作压力下内村和复合材料缝绕层应力的影响，并利用Coffin-Manson公式预测了复合气瓶的疲劳寿命。结果表明，自紧后复合气瓶内衬在工作压力下的最大应力减小了29.1%。有限元计算的疲劳寿命结果与实验测定结果之间的误差<8%，验证了有限元模型和计算方法的正确性。
关键词调纤维缠绕气瓶，有限元，自紧力，疫劳寿命
NumericalSimulationofAutofrettageandFatigueofFilament
WoundPressureVessel
Chen Liang
Sun Hongwei?Chen Guoqing'Ren Mingfa'
(1 Dalian University of Technology,Dalian 116085)
Zhou Wenlong
(2Aerospace Research Institute of Materials & Processing Technology, Beijing 100076)
AbstractThe effect of autofrattage on stress distribution and fatigue life of composite overwrapped pressure ves-sels(COPV) was studied by using the numerical simulation, The finite element model of COPV was established based on the commercial software ANSYS. The variations of the thickness and winding angles of the composites along the me-ridian in the domes section are considered during the modeling. The influence of autofrettage pressure of 54 MPa on the stress of metallic liner and composite layers is analyzed. The fatigue life of the COPV is predicated by using Coffin-Manson formula. The results demonstrated that the diversity between the result of finite element analysis and the exper-iments is within 8% ,which indicated the finite element model and the analysis is reasonable.
Key words Overwrapped pressure vessels,Finite element,Autofrettage pressure,Fatigue life
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以金属为内衬、复合纤维材料作为缠绕带的复合气瓶，已被广泛应用于航空航天、建筑、交通等领域]。复合气瓶综合了复合材料和金属内村的优点，具备高承压、高疲劳寿命、质轻、耐腐蚀等优良性能(2)但是复合气瓶的性能对生产工艺的依赖性很大。为了提高复合气瓶的疲劳寿命，通常采用自紧处理方法使复合气瓶在零压时内衬处于受压状态而碳
纤维复合材料层处于拉应力状态，从而降低工作时内衬的受力3]，充分发挥碳纤维高强度的优点并提高复合气瓶的疲劳寿命。
国内外普遍采用有限元法对复合的自紧问题进行研究。如周敏华等[4)]对厚壁圆简的自紧过程进行了有限元分析，得出了厚壁圆筒的应力分布与自紧压力的关系并提出了最佳自紧压力。张传勇等(3)对呼吸气瓶的自紧过程进行了有限元计算，为解决气瓶的
收稿日期：201206-01
（00 作者简介：陈亮，1987年出生，硕士研究生，主要从事复合气瓶有限元模拟研究。E-mail：liangchen341①sina.com
— 16 -万方数据
宇航材料工艺http：//www.yhcelgy.com2012年第4期