隨著燃氣汽車的發(fā)展，盛裝車用天然氣的壓力容器也由鋼質氣瓶發(fā)展到如今的鋼質內(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)定和價格適中的優(yōu)勢不斷擴大著在車用氣瓶市場中的占有率。環(huán)纏繞氣瓶內(nèi)膽多采用冷拔無縫鉻鉬鋼管制造，復合層纏繞纖維多采用無堿玻璃纖維無捻粗紗，復合層基體材料采用收縮率較小的熱固性環(huán)氧樹脂。目前在我國車用環(huán)纏繞氣瓶的產(chǎn)品國家標準尚未發(fā)布，而如何確定內(nèi)膽在環(huán)纏繞氣瓶整體強度中所承擔的理論強度值一直是困擾設計者的一個難題，筆者結合多年的工作經(jīng)驗提出了內(nèi)膽強度的具體計算方法。

1　現(xiàn)行標準及計算方法

我國目前制造纏繞氣瓶多采用或等效采用ISO 11439：2000(E)，其中設計條款并未規(guī)定具體的設計計算方法，只是提出“設計應充分建立于適當?shù)挠嬎愫驼撟C，并保證氣瓶能通過各項試驗”，可見該標準更加重視通過對實物測試來判定產(chǎn)品的可靠性。
　　目前，環(huán)纏繞氣瓶的設計計算通常有兩種方法，即有限元應力分析法和設計者自行提出的、按照一定理論進行計算的方法。有限元應力分析法采用計算機應用軟件進行，但對于國內(nèi)多數(shù)氣瓶設計者來說還比較陌生或較難掌握，不同設計者之間的計算結果也會產(chǎn)生較大的差異。因此，該計算方法在今后相當長的時問內(nèi)還難以普及和準確應用。而設計者自行提出的、按照一定理論進行計算的方法，其主要難點就在于如何確定內(nèi)膽在環(huán)纏繞氣瓶整體強度中所承擔的理論強度值。

2　內(nèi)膽強度計算分析

2．1　氣瓶強度在內(nèi)膽及纖維中的分配
　　環(huán)纏繞氣瓶的環(huán)向強度是由內(nèi)膽和纏繞纖維共同承擔的，而縱向強度則由內(nèi)膽完全承擔。在理論設計上，內(nèi)膽和纖維約各承擔環(huán)纏繞氣瓶環(huán)向強度的一半，所以環(huán)纏繞氣瓶也俗稱“半纏繞氣瓶”。環(huán)纏繞氣瓶通常以爆破強度作為設計依據(jù)，但在爆破壓力下，環(huán)纏繞氣瓶的環(huán)向強度并不是內(nèi)膽和纖維強度的簡單算術和，而是呈非線性的疊加關系。
　　玻璃纖維的斷裂伸長率A通常為調(diào)質鋼的20％左右，且在纏繞時其張力必須是逐層遞減的，因此無論最終張力是多少，纏繞完成后，纖維始終處于拉應力狀態(tài)，也就是說，在纏繞氣瓶達到爆破壓力時，內(nèi)膽的延伸率不會超過A(由于玻璃纖維是脆性材料，其斷后伸長率與斷裂總延伸率之差可以忽略不計)。由于纖維的張力相對于斷裂強力很小，纖維張力引起的纖維延伸在計算時可以忽略不計，因此在設計爆破壓力下，內(nèi)膽的應力即為內(nèi)膽材料(調(diào)質熱處理后)延伸率為A時的應力。由此可以看出，纏繞氣瓶達到爆破壓力時，纖維應首先斷裂，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)向強度(應力)為延伸率為A時的內(nèi)膽強度(應力)與玻璃纖維斷裂強度(應力)之和。
2．2　內(nèi)膽強度計算
　　在采用有限元應力分析方法設計時，首先要對內(nèi)膽材料及復合層材料(纖維增強塑料)的相關力學性能進行測試，然后根據(jù)材料的力學性能保證值及測試所得到的相關試驗數(shù)據(jù)進行分析計算。
　　首先，通過內(nèi)膽材料應力．應變曲線找到延伸率為A(玻璃纖維最小斷裂伸長率)時內(nèi)膽的應力。圖1是內(nèi)膽材料調(diào)質熱處理后的應力—應變曲線，可以查出延伸率為A(應變?yōu)?.01A)時內(nèi)膽的應力σ_sa以及抗拉強度σ_sb二者比值為σ_sa／σ_sb。由此可以計算出，內(nèi)膽在環(huán)纏繞氣瓶強度中所分擔的強度與其抗拉強度的關系。以上理論都是建立在內(nèi)膽實際力學性能基礎上的，而設計時，通常是采用內(nèi)膽力學性能保證值進行計算的，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，因此當材料的力學性能在一定范圍內(nèi)波動時，其應力一應變曲線中也僅僅會是非比例變形曲線部分的上下移動，而比值σ_sa／σ_sb不會有明顯變化，設計時可以取抗拉強度保證值σ_b的σ_sa／σ_sb作為內(nèi)膽在延伸率為A時的應力取值σ_a，即σ_a=σ_bσ_sa／σ_sb。內(nèi)膽強度的取值確定后，環(huán)纏繞氣瓶的強度設計計算也就自然得到解決。

筆者以纏繞纖維為無堿玻璃纖維無捻粗紗，內(nèi)膽材料為30CrMo舉例進行計算。無堿玻璃纖維無捻粗紗的斷裂伸長率通常為2.5％～3.0％，按最小斷裂伸長率2.5％可以從圖1中查出此時的內(nèi)膽應力為850MPa，同時可查出抗拉強度為958 MPa，則850／958=0．89。若設計時內(nèi)膽的抗拉強度保證值為820 MPa，則內(nèi)膽在設計爆破壓力下的應力為0.89×820=730 MPa。