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為降低航天器研制和發(fā)射所需的高額費(fèi)用，空間系統(tǒng)壓力容器設(shè)計(jì)和制造技術(shù)得到了極大的發(fā)展。纖維纏繞壓力容器因其質(zhì)量輕、研制費(fèi)用低和安全性好而逐漸取代全金屬壓力容器，明顯提高了空間系統(tǒng)壓力容器的可靠性、安全性、承載能力、儲(chǔ)存壽命和循環(huán)壽命，大大減小了高壓氣體和液體儲(chǔ)存容器的質(zhì)量。目前，碳纖維鋁內(nèi)襯圓柱形容器的性能已比最好的金屬容器高出50%以上。除低成本高強(qiáng)度纖維樹脂纏繞技術(shù)外，設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)的發(fā)展是導(dǎo)致如此結(jié)果的一個(gè)主要因素，而可靠的分析方法則是保證設(shè)計(jì)優(yōu)化成功的技術(shù)關(guān)鍵。作為目前最可靠的數(shù)值分析技術(shù)，有限元分析FEA對(duì)提高纖維纏繞壓力容器的設(shè)計(jì)水平、改善產(chǎn)品性能、縮短研制周期、節(jié)約研制費(fèi)用和保證使用安全，都具有十分重要的意義。
為此，本研究對(duì)纖維纏繞壓力容器結(jié)構(gòu)FEA的過程、可行性、適應(yīng)性、可靠性、能力、效率和費(fèi)用等方面進(jìn)行了分析。
用纖維纏繞方法制成的壓力容器是展現(xiàn)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料優(yōu)點(diǎn)的一個(gè)理想實(shí)例，其典型設(shè)計(jì)包括柱形、球形、近球形、錐形和環(huán)形等構(gòu)型，其中以圓柱形容器最為常見，如圖所示。
纖維纏繞壓力容器的設(shè)計(jì)必須考慮纖維樹脂結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和變形特性，需要根據(jù)空間應(yīng)用、結(jié)構(gòu)質(zhì)量、壓力和服務(wù)年限等要求選取合適的靜壓，確定最佳的容器構(gòu)型，設(shè)計(jì)最優(yōu)的結(jié)構(gòu)。實(shí)際上，不適當(dāng)?shù)卦黾硬牧嫌昧靠赡軙?huì)降低結(jié)構(gòu)的承載能力，這是纖維纏繞壓力容器較為獨(dú)特之處。因?yàn)閴毫θ萜鞯膸缀翁匦院蜌んw的剛度參數(shù)相互影響，額外的纖維纏繞層會(huì)使殼體的剛度分布發(fā)生改變，迫使殼體在形狀上作出相應(yīng)的改變。但殼體的幾何特性受纏繞芯模(或金屬內(nèi)襯)支配，且纏繞芯模的形狀不經(jīng)重新加工就不能改變，所以應(yīng)避免不恰當(dāng)?shù)卦黾永w維纏繞層。
此外，柱形壓力容器封頭形狀的設(shè)計(jì)也非常關(guān)鍵。封頭形狀與纖維角相互作用，在接近柱面直線段的封頭區(qū)域容易產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力集中，使封頭區(qū)域承受最高的應(yīng)力，進(jìn)而成為最臨界的結(jié)構(gòu)破壞位置。
由鋼、鋁等各向同性材料制成的傳統(tǒng)柱形壓力容器，采用橢圓形封頭以減少結(jié)構(gòu)內(nèi)的臨界應(yīng)力。隨著正交各向異性纖維增強(qiáng)材料的出現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)理想的封頭是具有等張力的形狀，如圖所示。
就纖維纏繞壓力容器所希望的尺寸和載荷而言，這些結(jié)果突出了纖維纏繞層剪裁技術(shù)即優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要性。FEA是目前最可靠和最通用的數(shù)值分析技術(shù)，用它設(shè)計(jì)纖維纏繞壓力容器的結(jié)構(gòu)，必將提高設(shè)計(jì)水平、改善產(chǎn)品性能、縮短研制周期、節(jié)約研制費(fèi)用和保證使用安全，進(jìn)而帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
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