輕量化復合材料壓力容器研究進展
壓力容器減重70% 。
1、基于穩定纏繞理論的結構剛度優化設計方法
30 年來，國內外都是采用網格理論對復合材料壓力容器進行強度設計，先憑經驗進行滑線系數取值，（一般濕法纏繞取值為 0.15~0.2、干法纏繞取值為0.39 ），利用公式（1）求解可纏繞范圍B-B’ （圖1 所示），然后給定初始纏繞角，在纏繞機上進行大量的工藝“試錯”試驗，反復排線修改初始纏繞角，直至找到滿足纏繞工藝穩定性要求的線型和纏繞角， 后就此纏繞角對設計的壓力容器進行剛度校核。這種基于工藝“試錯”的設計過程，難以獲得實際的穩定纏繞范圍，無法進行復合材料壓力容器結構的剛度優化，不能大化地發揮纖維強度，減重困難。
對此，本研究在復合材料纏繞工藝中，建立了基于穩定纏繞理論的結構剛度優化設計方法：通過對纏繞纖維與芯模表面間滑線系數的精確表征，測得真實可靠的滑線系數λ ，獲得了滑線系數λ 與纏繞角α 的連續對應關系，利用公式（1）準確求解出可穩定纏繞范圍A-A ’（圖1 所示），并通過對可穩定纏繞范圍內每一纏繞角對應的纖維軌跡，進行厚度預測和剛度計算，從而在獲得的穩定纏繞范圍內，進行剛度優化設計，大效率地發揮纖維的強度，減少用紗量，顯著提高了結構效率，實現減重。
纏繞纖維與芯模表面間滑線系數的精確表征及可穩定纏繞范圍求解。根據一般曲面穩定纏繞原理，通過對芯模表面上落紗點的力學分析，設計出了一種具有自主知識產權的標定模型，如圖 2 所示。該模型在固定纏繞角的情況下，沿其母線方向任意點處的緯度圓半徑r(x)與該點的滑線系數λ之間滿足線性關系，模型的母線方程如公式2 所示。利用該模型可精確表征纏繞纖維與芯模表面間的滑線系數值，為準確求解穩定纏繞范圍以及復合材料壓力容器結構剛度優化提供參數。圖3 為滑線系數的測量過程。
三次樣條函數復合材料壓力容器封頭厚度預測方法。在復合材料壓力容器剛度優化過程中，筒身段和封頭段的壁厚預測是十分關鍵的，特別是厚度變化較大的封頭段。因為沒有準確的厚度參數，就不能精確地進行有限元建模，也就無法準確地計算出容器的應力和位移，導致理論計算結果誤差較大，很難實現結構的減重。因此，本文基于所有纏繞纖維總體積不變原理，建立了三次樣條函數封頭厚度預測方法。
三次樣條函數封頭厚度預測模型如公式3 所示：
該方法有效解決了單公式法、雙公式法、圖解法等傳統方法在進行封頭厚度預測時容器尺寸受限、計算繁復、精度差等難題。對同一個壓力容器采用不同預測方法得到的封頭厚度分布情況如圖4 和圖5 所示。對比結果表明，相比傳統方法三次樣條函數法的預測精度提高了約 15%，可為復合材料壓力容器的剛度優化設計與結構有限元分析提供更接近實際的厚度參數。
通過滑線系數的量化表征及封頭厚度的精確預測，建立了基于工藝可實現的結構剛度優化設計方法，開發了纏繞仿真平臺SimWind 1.0，如圖6 所示。利用該纏繞仿真平臺可以快速高效地實現輕量化復合材料壓力容器的設計與制備。圖7 為所研制的輕量化復合材料壓力容器，相比同容積、同壓力的金屬容器減重70% 。
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2、大尺寸超薄鋁合金內襯成型方法
由于鋁合金氣密性高（氦漏率≤10^-5 Pa?cm ^3 /s ）、密度小、介質相容性好，已成為輕量化復合材料壓力容器金屬內襯的選材料，并且經過研究發現鋁合金內襯的重量約占整個容器重量的1/3 以上，且鋁合金內襯厚度每減薄0.1mm，復合材料壓力容器的重量減輕3%
