�一��玻瑞钢学会第十五届全国玻璃钢�复合材料学术年会论文集����年纤维缠绕金属内衬压力容器的疲劳行为分析肖文刚郭志峰郭丽敏何志华王浩�北京玻璃钢研究设计院���一���摘要�本丈论述了纤维坡烧金属内衬压力容器疲劳寿命的分析和设计技术,并对容器在制造和使用中影响疲劳寿命发挥的因素进行了总结。应用断裂力学对复合材料压力容器的疲劳行为进行分析,对保证其在使用中的安全可幸性具有极为重要的意义。关健词�复合材料压力容器疲劳�前言复合材料压力容器是由内衬层和复合材料外层组成的。外层的复合材料层承担着大部分的内压载荷�内衬层主要是在缠绕过程中起“芯模”和“骨架”的作用,工作时起气密性的作用。根据内衬的承载情况,分为“承载内衬”和“非承载内衬。”目前,复合材料压力容器的金属内衬大都采用整体无焊缝形式,还有一小部分“非承载内衬”仍采用焊接形式。压力容器的破坏形式主要是以在达到一定循环次数后的疲劳破坏为主。疲劳破坏是指在周期性交变载荷作用下材料发生的破坏行为,它反映了材料经周期应力或应变时的失效过程。复合材料由于与金属材料的结构构造不同,疲劳的机理不同,所表现出来的疲劳现象有很大的不同,一般说来,复合材料的抗疲劳破坏能力比传统的金属材料好的多。因此,金属内衬在循环载荷作用下的疲劳行为是决定复合材料压力容器疲劳寿命的关键。金属内衬在加工和使用过程中,由于种种原因,例如非金属夹渣、气泡、腐蚀坑,锻造和轧制缺陷,焊缝裂纹,表面刻痕等等,都会存在各种形式的裂纹。在交变载荷作用下,表面裂纹会开始扩展,直至穿透整个壁厚,导致内衬渗漏失效。因此,复合材料压力容器的疲劳行为与裂纹扩展有直接的关系。通过现代检验技术,如无损探伤查明裂纹的尺寸和几何形状,可以充分估计其使用寿命,建立设计判据。这种把疲劳设计建立在各种裂纹基础上,并考虑裂纹在交变载荷作用下的扩展特性,是保证容器安全工作的重要途径。其次,某些薄壁非承载内衬在工作时,其局部应力已超过屈服极限,在这样高的应力下塑性变形,经一定次数的应变积累后,便会产生疲劳破坏,于是存在着低循环疲劳破坏的问题。�内衬层的受力分析复合材料压力容器在内压作用下,内衬层处于非常复杂的三向应力状态,即周向应力、轴向应力和径向应力。而且,金属的弹性变形极限远小于复合材料的弹性极限,容器在工作时,内衬应力水平可能超过材料屈服极限,而处于塑性状态。目前,对于厚壁承载内衬常采用的应力控制技术是施加预紧压力法。其施加过程如图�所示。由于缠绕张力的作用,复合材料层中有初始拉应力,金属内衬中有初始压应力。升压时,金属内衬和复合材料分别沿各自的应力应变曲线上升,达到定型压力时,复合材料和金属内衬处于一定的应力、应变平衡状态。卸压时,内衬应力不能沿原路线返回,而产生一定的残余变形。此时,复合材料层处于拉应力状态,���应拉力内衬层处于压应力的状态。再次施加压力时,金属内衬中的工作应力和应变区域�从�到��将会大大减小。同时,施加预紧压力还是对内衬中的裂纹进行“筛选”的一个过程。裂纹引起构件发生破坏时,其尺寸和构件的应力应变状态之间存在密切的关系,复合材料容器在加压过程中,某些较大尺寸的裂纹将会迅速扩展直至穿透整个壁厚,而使容器渗漏失效。定里压力工作应力区�断裂力学在疲劳分析中的应用与大多数金属结构件的疲劳行为类似,金属内衬在交变载荷作用下,可以观察到单一主裂纹有规律的扩展现象,这一主裂纹控制着最终的疲劳破坏。断裂力学认为,当带有宏观裂应压力图�内衬受内状态纹的材料或构件受到外力作用时,裂纹尖端附近的区域就产生应力应变集中效应。当此区域的应力应变高到一定程度,超过材料的负荷极限时,裂纹便迅速扩展�称为失稳扩展�,并构成整个材料或构件在低应力状态下发生脆性断裂。至于裂纹尖端区域的应力应变究竟达到何种程度,裂纹便迅速扩展,目前,主要有两种判断准则,即基于线弹性断裂力学判据和基于弹塑性断裂力学判据。���线弹性断裂力学是将材料当作理想的线弹性体,其基本的断裂判据为�。����,式中�。为裂纹尖端的应力强度因子,���为材料的断裂韧性。应力强度因子�。与裂纹体的形状和裂...
