內部半橢圓形周向裂紋鋼襯纏繞氣瓶應力強度因子計算

A.R. Shahani *, M.M. Kheirikhah
K.N. Toosi 科技大學，機械工程學院，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)表在網上

摘要
本文的目的是介紹模式I鋼襯纏繞CNG氣瓶內表面周向半橢圓形裂紋應力強度因子。沿裂紋尖端應力強度因子直接由適用于各種幾何形狀裂紋的3D有限元方法計算。此外，還研究了許多參數，如氣瓶內的壓力、復合層的厚度、復合材料的性能和進行自緊壓力對裂縫應力強度因子的影響和對一些結論性結果的繪制。為了驗證結果以及由于在文獻中缺少周向半橢圓形裂紋的結果，一個復合纏繞氣瓶半橢圓軸向裂紋已為模型，其結果已和文獻中的那些結果進行了比較，呈顯出了良好的一致。
關鍵詞：FEA；復合氣瓶；周向裂紋；應力強度因子

1.序言
鋼襯纏繞氣瓶，往往是用來儲存工業(yè)氣體，如壓縮天然氣（CNG）。根據不同國家標準例如參考文獻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金屬內膽，該內膽只在圓柱部分有纏繞復合材料。在這些氣瓶制造或工業(yè)應用中，往往在鋼內膽圓柱部分內部出現一些軸向或周向裂縫，這些裂紋造成了許多工業(yè)災難。由于這些問題，研究人員已經利用工程估算或數值分析來獲得應力強度因子。
Underwood [2]和Kobayashi [3]對加壓氣瓶內部軸向表面裂紋應力強度因子作了估計。他們忽略了壁厚的影響。Delale和Erdogan [4] 利用線彈簧模型獲得對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，提出了對加壓氣瓶內部和外部兩種軸向表面裂紋的解決方案。在參考文獻[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] 預測了壓力容器內部軸向表面裂紋的疲勞裂紋擴展。Bergman [8] 通過用于部分圓周表面裂紋的有限元方法估計了J積分。Su和Bhuyan [9]調查了具有內部軸向表面裂紋鋼襯纏繞氣瓶斷裂行為的復合纏繞效果。Kim等人[10]研究了內部軸向表面裂紋有限加壓氣瓶的彈塑性斷裂。似乎對內部圓周表面裂紋鋼襯纏繞氣瓶的斷裂特性沒有公開的結果。因為裂紋的開放載荷，即周向應力是最大值，在這種情況下，雖然金屬氣瓶軸向裂紋是關鍵的，但周向裂紋變得重要從以下幾點觀點：