复合材料压力容器设计技术.pdfVIP

复合材料压力容器设计技术 复合材料压力容器设计技术 李 军，匡乃航，刘甲秋，王 非 (哈尔滨玻璃钢研究院，哈尔滨 150036) 摘要：本文综合叙述了复合材料压力容器的研究进展，根据国内外研究成果，分析了复合材料压力容器设计应注意的事 项以及未来的发展趋势。 关键词：复合材料；压力容器；结构设计；有限元分析 中图分类号：TB332文献标识码：A 1前言 司‘“、德国空间研究中心‘…、Et本航天发展局伊、航 1．1复合材料压力容器的优点 天五院510所‘“…、哈尔滨玻璃钢研究院Ⅲ。63等。 用以贮存液体和气体的压力容器，广泛地应用 于航天器及其分系统中，如卒间站推进系统、卫星飞 2研究现状 船推进系统、运载系统的气瓶和贮箱、生命支撑系统 2．1结构设计 压力容器等。相比于全部为金属压力容器，复合材 对于不同需求，复合材料压力容器可设计成圆 料压力容器具有质量轻、可设计强、可靠性高等 柱形、球形、近球形、椭球形、环形等。其中圆柱形复 特点。 合材料压力容器的结构效率较高。在压力容器的结 复合材料压力容器由内衬和复合材料组成。内 构设计中，包括金属内衬设计和复合材料设计，根据 衬主要起芯模和密封作用。内衬可分为非承载内衬 不同的目的和成本的限定，选取适合的金属材料和 和承载内衬。内衬的选材大多数以金属内衬为主， 纤维。在设计圆柱形金属内衬时，需要考虑危险区 少数火箭导弹系统应用非金属内衬，金属内衬多以 域的设计如接嘴与封头的连接区域、封头部分的变 铝合金、不锈钢、钛合金等为主，非金属内衬多以橡 厚度区域、封头与筒体的连接区域、焊缝位置等。复 胶等为主。复合材料主要承担内压。复合材料选材 合材料的设计主要需要考虑由于外形等原因引起的 主要以“高强”型纤维为主，如’1700、T800、T1000 复合材料的变角度和变厚度，以及在特定位置的补 等。根据不同的需求，可选用不同的内衬和纤维 强方案，合理的复合材料设计会使复合材料压力容 材料。 器的结构效率更高。 1．2复合材料压力容器的发展简史 2．2安全设计 上个世纪60年代、随着复合材料缠绕技术的发 2．2．1疲劳设计 展，使用凯夫拉-49纤维和玻璃纤维缠绕金属内衬的 综合来说复合材料的疲劳性能要好于金属材 压力容器逐步取代了传统的金属压力容器、80年代 料，在对复合材料压力容器疲劳设计时，针对疲劳危 随着无缝铝内衬旋压技术的发展和强度更为高的碳 险区域进行设计和优化，对提高复合材料的疲劳寿 纤维的出现，复合材料的压力容器性能进一步提 命有重要意义。疲劳危险位置常发生在接嘴与封头 升。1’“。在金属内衬成型技术的发展和纤维强度不 连接处、封头与简体连接处等不连续区域，在这些区 断提高的条件下，复合材料压力容器的结构效率不 域不仅有薄膜应力还存在弯曲应力的作用，使得金 断提高，在这个过程中，国内外众多研究所做了大量 属内衬存在应力集中问题。为使得复合材料压力容 工作，例如美国结构复合材料工业公司。3’4j、波音公 器能有较好的疲劳特性，需要对金属内衬在存在弯 收稿日期：2014-07—09 作者简介：李军(1982一)，男，博士．工程师，主要从事复合材料结构没汁和非限性振动方面的研究。 268