探讨圆环和等强度截面的纤维缠绕环形容器设计

【摘要】本篇文章提出了使用圆环和等强度截面的环形压力容器设计的方法，通过等强度截面设计，进而可以使环形压力容器的结构性能得到了明显的提高。

【关键词】圆环压力容器；等强度截面；纤维缠绕环形容器

1、前言

纤维缠绕是树脂基复合材料制品成型常用的工艺方法，这种方法通过材料力学设计，可充分发挥纤维拉伸强度高的特性，用于制造承受内/外压、弯曲、扭转、轴向载荷等情况下的产品.由于纤维缠绕制品具有比强度高、耐腐蚀、成本低、质量稳定等优点，而且易于实现机械化、自动化，生产效率高，因而应用十分广泛，如固体火箭发动机壳体、雷达罩、直升飞机叶片、管道和各种压力容器等，现已形成批量生产的产业，纤维缠绕复合材料已经有更大的突破。本文提出了分别使用圆环截面和等强度截面的环形压力容器设计方法，并对这两个设计方法进行了比较。基于最小应变能准则，得到了缠绕层铺设角和环壳内力间的最优化关系。根据网格理论，考虑截面缠绕层的厚度变化，导出了圆环容器缠绕的最优线型。引入应力比，分析了环壳上纤维的应力分布。描述了等强度曲线的一般形状，分析了轴向截荷对等强度曲线形状的影响。计算结果表明当轴向载荷达到一定数值时，等强度曲线能够实现闭合形成环形。进一步计算和比较了两种截面形状的环形压力容器在不同相对弯曲半径下的结构质量。研究表明，使用等强度截面设计的环形容器比使用圆环截面的环形容器要轻的多。通过等强度截面设计，环形压力容器的结构性能得到了明显的提高。

2、最优条件最小化应变能

4、结果与讨论

相同弯曲半径等强度截面和圆环形的关系如图4所示，而在相同体积下，等强度截面和圆环形的关系，如图5所示。进而可以表明，当相对的弯曲半径大于0.29，圆形和等强度截面环形的内部容积慢慢趋同。通过实验可以发现，具有相同的弯曲半径的等强度截面轮廓纵横比增大，减少内部容积，则等强度截面趋于圆形。

5、结束语

综上所述，有关环形的设计和比较是本文的主题，首先我们探讨了最佳叠层体设计问题，其中，决定叠层体刚度的材料和厚度在最小应变能计算时作为设计变量，在此基础上，最优卷绕轨迹趋于圆环形，通过引入的应力比的获得圆环形壳的应力分布，结果表明，均匀的应力分布，能得到最优等强度截面的纤维缠绕环形容器。

参考文献

[1]何钳象，阻磊.符合材料环形高压容器缠绕参数设计与分析[J].宇航学报，2012（11）：11～12.

[2]马国锋，姜广祥，费春东.纤维缠绕环形压力容器复合材料结构设计[J].玻璃钢/复合材料，2012（03）：17～18.

[3]陈汝训.纤维缠绕圆环压力容器设计分析[J].固体火箭技术，2013（12）：21～23.