隨著燃?xì)馄?chē)的發(fā)展，盛裝車(chē)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(jià)格適中的優(yōu)勢(shì)不斷擴(kuò)大著在車(chē)用氣瓶市場(chǎng)中的占有率。環(huán)纏繞氣瓶?jī)?nèi)膽多采用冷拔無(wú)縫鉻鉬鋼管制造，復(fù)合層纏繞纖維多采用無(wú)堿玻璃纖維無(wú)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(shù)脂。目前在我國(guó)車(chē)用環(huán)纏繞氣瓶的產(chǎn)品國(guó)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(jì)者的一個(gè)難題，筆者結(jié)合多年的工作經(jīng)驗(yàn)提出了內(nèi)膽強(qiáng)度的具體計(jì)算方法。

1　現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)及計(jì)算方法

我國(guó)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(jì)條款并未規(guī)定具體的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，只是提出“設(shè)計(jì)應(yīng)充分建立于適當(dāng)?shù)挠?jì)算和論證，并保證氣瓶能通過(guò)各項(xiàng)試驗(yàn)”，可見(jiàn)該標(biāo)準(zhǔn)更加重視通過(guò)對(duì)實(shí)物測(cè)試來(lái)判定產(chǎn)品的可靠性。
　　目前，環(huán)纏繞氣瓶的設(shè)計(jì)計(jì)算通常有兩種方法，即有限元應(yīng)力分析法和設(shè)計(jì)者自行提出的、按照一定理論進(jìn)行計(jì)算的方法。有限元應(yīng)力分析法采用計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件進(jìn)行，但對(duì)于國(guó)內(nèi)多數(shù)氣瓶設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)還比較陌生或較難掌握，不同設(shè)計(jì)者之間的計(jì)算結(jié)果也會(huì)產(chǎn)生較大的差異。因此，該計(jì)算方法在今后相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)問(wèn)內(nèi)還難以普及和準(zhǔn)確應(yīng)用。而設(shè)計(jì)者自行提出的、按照一定理論進(jìn)行計(jì)算的方法，其主要難點(diǎn)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(jì)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(jì)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(chēng)“半纏繞氣瓶”。環(huán)纏繞氣瓶通常以爆破強(qiáng)度作為設(shè)計(jì)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(jiǎn)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(zhǎng)率A通常為調(diào)質(zhì)鋼的20％左右，且在纏繞時(shí)其張力必須是逐層遞減的，因此無(wú)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(shuō)，在纏繞氣瓶達(dá)到爆破壓力時(shí)，內(nèi)膽的延伸率不會(huì)超過(guò)A(由于玻璃纖維是脆性材料，其斷后伸長(zhǎng)率與斷裂總延伸率之差可以忽略不計(jì))。由于纖維的張力相對(duì)于斷裂強(qiáng)力很小，纖維張力引起的纖維延伸在計(jì)算時(shí)可以忽略不計(jì)，因此在設(shè)計(jì)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(shí)的應(yīng)力。由此可以看出，纏繞氣瓶達(dá)到爆破壓力時(shí)，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(shí)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(jì)算
　　在采用有限元應(yīng)力分析方法設(shè)計(jì)時(shí)，首先要對(duì)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(cè)試，然后根據(jù)材料的力學(xué)性能保證值及測(cè)試所得到的相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算。
　　首先，通過(guò)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(zhǎng)率)時(shí)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(shí)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(jì)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(shí)際力學(xué)性能基礎(chǔ)上的，而設(shè)計(jì)時(shí)，通常是采用內(nèi)膽力學(xué)性能保證值進(jìn)行計(jì)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(dòng)時(shí)，其應(yīng)力一應(yīng)變曲線中也僅僅會(huì)是非比例變形曲線部分的上下移動(dòng)，而比值σ_sa／σ_sb不會(huì)有明顯變化，設(shè)計(jì)時(shí)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(shí)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(jì)計(jì)算也就自然得到解決。

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