內(nèi)部半橢圓形周向裂紋鋼襯纏繞氣瓶應(yīng)力強(qiáng)度因子計(jì)算

A.R. Shahani *, M.M. Kheirikhah
K.N. Toosi 科技大學(xué)，機(jī)械工程學(xué)院，P.O. Box 16765-3381, Tehran, Iran
2006年4月3日收到；2006年10月6日收到修訂版；2006年10月19日接受
2006年11月5日發(fā)表在網(wǎng)上

摘要
本文的目的是介紹模式I鋼襯纏繞CNG氣瓶?jī)?nèi)表面周向半橢圓形裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子。沿裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子直接由適用于各種幾何形狀裂紋的3D有限元方法計(jì)算。此外，還研究了許多參數(shù)，如氣瓶?jī)?nèi)的壓力、復(fù)合層的厚度、復(fù)合材料的性能和進(jìn)行自緊壓力對(duì)裂縫應(yīng)力強(qiáng)度因子的影響和對(duì)一些結(jié)論性結(jié)果的繪制。為了驗(yàn)證結(jié)果以及由于在文獻(xiàn)中缺少周向半橢圓形裂紋的結(jié)果，一個(gè)復(fù)合纏繞氣瓶半橢圓軸向裂紋已為模型，其結(jié)果已和文獻(xiàn)中的那些結(jié)果進(jìn)行了比較，呈顯出了良好的一致。
關(guān)鍵詞：FEA；復(fù)合氣瓶；周向裂紋；應(yīng)力強(qiáng)度因子

1.序言
鋼襯纏繞氣瓶，往往是用來(lái)儲(chǔ)存工業(yè)氣體，如壓縮天然氣（CNG）。根據(jù)不同國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)例如參考文獻(xiàn)ECE/R 110 [1]，CNG氣瓶被制造成四種類型，其中Ⅱ型氣瓶制造為鋼襯纏繞氣瓶。這種類型的氣瓶有一個(gè)金屬內(nèi)膽，該內(nèi)膽只在圓柱部分有纏繞復(fù)合材料。在這些氣瓶制造或工業(yè)應(yīng)用中，往往在鋼內(nèi)膽圓柱部分內(nèi)部出現(xiàn)一些軸向或周向裂縫，這些裂紋造成了許多工業(yè)災(zāi)難。由于這些問題，研究人員已經(jīng)利用工程估算或數(shù)值分析來(lái)獲得應(yīng)力強(qiáng)度因子。
Underwood [2]和Kobayashi [3]對(duì)加壓氣瓶?jī)?nèi)部軸向表面裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子作了估計(jì)。他們忽略了壁厚的影響。Delale和Erdogan [4] 利用線彈簧模型獲得對(duì)圓柱殼包括周向或軸向半橢圓表面裂紋的近似解。Raju和Newman [5,6]采用3D有限元方法，提出了對(duì)加壓氣瓶?jī)?nèi)部和外部?jī)煞N軸向表面裂紋的解決方案。在參考文獻(xiàn)[6]中，所得的解決方案適用于各種幾何形狀的裂紋。Lin和Smith [7] 預(yù)測(cè)了壓力容器內(nèi)部軸向表面裂紋的疲勞裂紋擴(kuò)展。Bergman [8] 通過用于部分圓周表面裂紋的有限元方法估計(jì)了J積分。Su和Bhuyan [9]調(diào)查了具有內(nèi)部軸向表面裂紋鋼襯纏繞氣瓶斷裂行為的復(fù)合纏繞效果。Kim等人[10]研究了內(nèi)部軸向表面裂紋有限加壓氣瓶的彈塑性斷裂。似乎對(duì)內(nèi)部圓周表面裂紋鋼襯纏繞氣瓶的斷裂特性沒有公開的結(jié)果。因?yàn)榱鸭y的開放載荷，即周向應(yīng)力是最大值，在這種情況下，雖然金屬氣瓶軸向裂紋是關(guān)鍵的，但周向裂紋變得重要從以下幾點(diǎn)觀點(diǎn)：