轻量化复合材料压力容器研究进展
压力容器减重70% 。
1、基于稳定缠绕理论的结构刚度优化设计方法
30 年来，国内外都是采用网格理论对复合材料压力容器进行强度设计，先凭经验进行滑线系数取值，（一般湿法缠绕取值为 0.15~0.2、干法缠绕取值为0.39 ），利用公式（1）求解可缠绕范围B-B’ （图1 所示），然后给定初始缠绕角，在缠绕机上进行大量的工艺“试错”试验，反复排线修改初始缠绕角，直至找到满足缠绕工艺稳定性要求的线型和缠绕角， 后就此缠绕角对设计的压力容器进行刚度校核。这种基于工艺“试错”的设计过程，难以获得实际的稳定缠绕范围，无法进行复合材料压力容器结构的刚度优化，不能大化地发挥纤维强度，减重困难。
对此，本研究在复合材料缠绕工艺中，建立了基于稳定缠绕理论的结构刚度优化设计方法：通过对缠绕纤维与芯模表面间滑线系数的精确表征，测得真实可靠的滑线系数λ ，获得了滑线系数λ 与缠绕角α 的连续对应关系，利用公式（1）准确求解出可稳定缠绕范围A-A ’（图1 所示），并通过对可稳定缠绕范围内每一缠绕角对应的纤维轨迹，进行厚度预测和刚度计算，从而在获得的稳定缠绕范围内，进行刚度优化设计，大效率地发挥纤维的强度，减少用纱量，显著提高了结构效率，实现减重。
缠绕纤维与芯模表面间滑线系数的精确表征及可稳定缠绕范围求解。根据一般曲面稳定缠绕原理，通过对芯模表面上落纱点的力学分析，设计出了一种具有自主知识产权的标定模型，如图 2 所示。该模型在固定缠绕角的情况下，沿其母线方向任意点处的纬度圆半径r(x)与该点的滑线系数λ之间满足线性关系，模型的母线方程如公式2 所示。利用该模型可精确表征缠绕纤维与芯模表面间的滑线系数值，为准确求解稳定缠绕范围以及复合材料压力容器结构刚度优化提供参数。图3 为滑线系数的测量过程。
三次样条函数复合材料压力容器封头厚度预测方法。在复合材料压力容器刚度优化过程中，筒身段和封头段的壁厚预测是十分关键的，特别是厚度变化较大的封头段。因为没有准确的厚度参数，就不能精确地进行有限元建模，也就无法准确地计算出容器的应力和位移，导致理论计算结果误差较大，很难实现结构的减重。因此，本文基于所有缠绕纤维总体积不变原理，建立了三次样条函数封头厚度预测方法。
三次样条函数封头厚度预测模型如公式3 所示：
该方法有效解决了单公式法、双公式法、图解法等传统方法在进行封头厚度预测时容器尺寸受限、计算繁复、精度差等难题。对同一个压力容器采用不同预测方法得到的封头厚度分布情况如图4 和图5 所示。对比结果表明，相比传统方法三次样条函数法的预测精度提高了约 15%，可为复合材料压力容器的刚度优化设计与结构有限元分析提供更接近实际的厚度参数。
通过滑线系数的量化表征及封头厚度的精确预测，建立了基于工艺可实现的结构刚度优化设计方法，开发了缠绕仿真平台SimWind 1.0，如图6 所示。利用该缠绕仿真平台可以快速高效地实现轻量化复合材料压力容器的设计与制备。图7 为所研制的轻量化复合材料压力容器，相比同容积、同压力的金属容器减重70% 。
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2、大尺寸超薄铝合金内衬成型方法
由于铝合金气密性高（氦漏率≤10^-5 Pa・cm ^3 /s ）、密度小、介质相容性好，已成为轻量化复合材料压力容器金属内衬的选材料，并且经过研究发现铝合金内衬的重量约占整个容器重量的1/3 以上，且铝合金内衬厚度每减薄0.1mm，复合材料压力容器的重量减轻3%
