内部半椭圆形周向裂纹钢衬缠绕气瓶应力强度因子计算[外文翻译].doc

内部半椭圆形周向裂纹钢衬缠绕气瓶应力强度因子计算

A.R. Shahani *, M.M. Kheirikhah
K.N. Toosi 科技大学，机械工程学院，P.O. Box 16765-3381, Tehran, Iran
2006年4月3日收到；2006年10月6日收到修订版；2006年10月19日接受
2006年11月5日发表在网上

摘要
本文的目的是介绍模式I钢衬缠绕CNG气瓶内表面周向半椭圆形裂纹应力强度因子。沿裂纹尖端应力强度因子直接由适用于各种几何形状裂纹的3D有限元方法计算。此外，还研究了许多参数，如气瓶内的压力、复合层的厚度、复合材料的性能和进行自紧压力对裂缝应力强度因子的影响和对一些结论性结果的绘制。为了验证结果以及由于在文献中缺少周向半椭圆形裂纹的结果，一个复合缠绕气瓶半椭圆轴向裂纹已为模型，其结果已和文献中的那些结果进行了比较，呈显出了良好的一致。
关键词：FEA；复合气瓶；周向裂纹；应力强度因子

1.序言
钢衬缠绕气瓶，往往是用来储存工业气体，如压缩天然气（CNG）。根据不同国家标准例如参考文献ECE/R 110 [1]，CNG气瓶被制造成四种类型，其中Ⅱ型气瓶制造为钢衬缠绕气瓶。这种类型的气瓶有一个金属内胆，该内胆只在圆柱部分有缠绕复合材料。在这些气瓶制造或工业应用中，往往在钢内胆圆柱部分内部出现一些轴向或周向裂缝，这些裂纹造成了许多工业灾难。由于这些问题，研究人员已经利用工程估算或数值分析来获得应力强度因子。
Underwood [2]和Kobayashi [3]对加压气瓶内部轴向表面裂纹应力强度因子作了估计。他们忽略了壁厚的影响。Delale和Erdogan [4] 利用线弹簧模型获得对圆柱壳包括周向或轴向半椭圆表面裂纹的近似解。Raju和Newman [5,6]采用3D有限元方法，提出了对加压气瓶内部和外部两种轴向表面裂纹的解决方案。在参考文献[6]中，所得的解决方案适用于各种几何形状的裂纹。Lin和Smith [7] 预测了压力容器内部轴向表面裂纹的疲劳裂纹扩展。Bergman [8] 通过用于部分圆周表面裂纹的有限元方法估计了J积分。Su和Bhuyan [9]调查了具有内部轴向表面裂纹钢衬缠绕气瓶断裂行为的复合缠绕效果。Kim等人[10]研究了内部轴向表面裂纹有限加压气瓶的弹塑性断裂。似乎对内部圆周表面裂纹钢衬缠绕气瓶的断裂特性没有公开的结果。因为裂纹的开放载荷，即周向应力是最大值，在这种情况下，虽然金属气瓶轴向裂纹是关键的，但周向裂纹变得重要从以下几点观点：