隨著燃?xì)馄嚨陌l(fā)展，盛裝車用天然氣的壓力容器也由鋼質(zhì)氣瓶發(fā)展到如今的鋼質(zhì)內(nèi)膽玻璃纖維環(huán)纏繞氣瓶，纏繞氣瓶以其重量輕、性能穩(wěn)定和價格適中的優(yōu)勢不斷擴(kuò)大著在車用氣瓶市場中的占有率。環(huán)纏繞氣瓶內(nèi)膽多采用冷拔無縫鉻鉬鋼管制造，復(fù)合層纏繞纖維多采用無堿玻璃纖維無捻粗紗，復(fù)合層基體材料采用收縮率較小的熱固性環(huán)氧樹脂。目前在我國車用環(huán)纏繞氣瓶的產(chǎn)品國家標(biāo)準(zhǔn)尚未發(fā)布，而如何確定內(nèi)膽在環(huán)纏繞氣瓶整體強(qiáng)度中所承擔(dān)的理論強(qiáng)度值一直是困擾設(shè)計者的一個難題，筆者結(jié)合多年的工作經(jīng)驗提出了內(nèi)膽強(qiáng)度的具體計算方法。

1　現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)及計算方法

我國目前制造纏繞氣瓶多采用或等效采用ISO 11439：2000(E)，其中設(shè)計條款并未規(guī)定具體的設(shè)計計算方法，只是提出“設(shè)計應(yīng)充分建立于適當(dāng)?shù)挠嬎愫驼撟C，并保證氣瓶能通過各項試驗”，可見該標(biāo)準(zhǔn)更加重視通過對實物測試來判定產(chǎn)品的可靠性。
　　目前，環(huán)纏繞氣瓶的設(shè)計計算通常有兩種方法，即有限元應(yīng)力分析法和設(shè)計者自行提出的、按照一定理論進(jìn)行計算的方法。有限元應(yīng)力分析法采用計算機(jī)應(yīng)用軟件進(jìn)行，但對于國內(nèi)多數(shù)氣瓶設(shè)計者來說還比較陌生或較難掌握，不同設(shè)計者之間的計算結(jié)果也會產(chǎn)生較大的差異。因此，該計算方法在今后相當(dāng)長的時問內(nèi)還難以普及和準(zhǔn)確應(yīng)用。而設(shè)計者自行提出的、按照一定理論進(jìn)行計算的方法，其主要難點就在于如何確定內(nèi)膽在環(huán)纏繞氣瓶整體強(qiáng)度中所承擔(dān)的理論強(qiáng)度值。

2　內(nèi)膽強(qiáng)度計算分析

2．1　氣瓶強(qiáng)度在內(nèi)膽及纖維中的分配
　　環(huán)纏繞氣瓶的環(huán)向強(qiáng)度是由內(nèi)膽和纏繞纖維共同承擔(dān)的，而縱向強(qiáng)度則由內(nèi)膽完全承擔(dān)。在理論設(shè)計上，內(nèi)膽和纖維約各承擔(dān)環(huán)纏繞氣瓶環(huán)向強(qiáng)度的一半，所以環(huán)纏繞氣瓶也俗稱“半纏繞氣瓶”。環(huán)纏繞氣瓶通常以爆破強(qiáng)度作為設(shè)計依據(jù)，但在爆破壓力下，環(huán)纏繞氣瓶的環(huán)向強(qiáng)度并不是內(nèi)膽和纖維強(qiáng)度的簡單算術(shù)和，而是呈非線性的疊加關(guān)系。
　　玻璃纖維的斷裂伸長率A通常為調(diào)質(zhì)鋼的20％左右，且在纏繞時其張力必須是逐層遞減的，因此無論最終張力是多少，纏繞完成后，纖維始終處于拉應(yīng)力狀態(tài)，也就是說，在纏繞氣瓶達(dá)到爆破壓力時，內(nèi)膽的延伸率不會超過A(由于玻璃纖維是脆性材料，其斷后伸長率與斷裂總延伸率之差可以忽略不計)。由于纖維的張力相對于斷裂強(qiáng)力很小，纖維張力引起的纖維延伸在計算時可以忽略不計，因此在設(shè)計爆破壓力下，內(nèi)膽的應(yīng)力即為內(nèi)膽材料(調(diào)質(zhì)熱處理后)延伸率為A時的應(yīng)力。由此可以看出，纏繞氣瓶達(dá)到爆破壓力時，纖維應(yīng)首先斷裂，并在瞬間引發(fā)氣瓶爆破。環(huán)纏繞氣瓶在爆破壓力下的環(huán)向強(qiáng)度(應(yīng)力)為延伸率為A時的內(nèi)膽強(qiáng)度(應(yīng)力)與玻璃纖維斷裂強(qiáng)度(應(yīng)力)之和。
2．2　內(nèi)膽強(qiáng)度計算
　　在采用有限元應(yīng)力分析方法設(shè)計時，首先要對內(nèi)膽材料及復(fù)合層材料(纖維增強(qiáng)塑料)的相關(guān)力學(xué)性能進(jìn)行測試，然后根據(jù)材料的力學(xué)性能保證值及測試所得到的相關(guān)試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計算。
　　首先，通過內(nèi)膽材料應(yīng)力．應(yīng)變曲線找到延伸率為A(玻璃纖維最小斷裂伸長率)時內(nèi)膽的應(yīng)力。圖1是內(nèi)膽材料調(diào)質(zhì)熱處理后的應(yīng)力—應(yīng)變曲線，可以查出延伸率為A(應(yīng)變?yōu)?.01A)時內(nèi)膽的應(yīng)力σ_sa以及抗拉強(qiáng)度σ_sb二者比值為σ_sa／σ_sb。由此可以計算出，內(nèi)膽在環(huán)纏繞氣瓶強(qiáng)度中所分擔(dān)的強(qiáng)度與其抗拉強(qiáng)度的關(guān)系。以上理論都是建立在內(nèi)膽實際力學(xué)性能基礎(chǔ)上的，而設(shè)計時，通常是采用內(nèi)膽力學(xué)性能保證值進(jìn)行計算的，相同材料、相同熱處理規(guī)范所獲得的材料彈性模量是幾乎不變的，因此當(dāng)材料的力學(xué)性能在一定范圍內(nèi)波動時，其應(yīng)力一應(yīng)變曲線中也僅僅會是非比例變形曲線部分的上下移動，而比值σ_sa／σ_sb不會有明顯變化，設(shè)計時可以取抗拉強(qiáng)度保證值σ_b的σ_sa／σ_sb作為內(nèi)膽在延伸率為A時的應(yīng)力取值σ_a，即σ_a=σ_bσ_sa／σ_sb。內(nèi)膽強(qiáng)度的取值確定后，環(huán)纏繞氣瓶的強(qiáng)度設(shè)計計算也就自然得到解決。

筆者以纏繞纖維為無堿玻璃纖維無捻粗紗，內(nèi)膽材料為30CrMo舉例進(jìn)行計算。無堿玻璃纖維無捻粗紗的斷裂伸長率通常為2.5％～3.0％，按最小斷裂伸長率2.5％可以從圖1中查出此時的內(nèi)膽應(yīng)力為850MPa，同時可查出抗拉強(qiáng)度為958 MPa，則850／958=0．89。若設(shè)計時內(nèi)膽的抗拉強(qiáng)度保證值為820 MPa，則內(nèi)膽在設(shè)計爆破壓力下的應(yīng)力為0.89×820=730 MPa。