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20世紀90年代后，由于能源結(jié)構(gòu)的改變和環(huán)境污染日益加重等原因，汽車工業(yè)研究的重點轉(zhuǎn)向清潔能源車輛領(lǐng)域，開發(fā)了以天然氣為燃料的汽車。隨著復合材料的廣泛應用，其燃料儲存容器也采用了含金屬內(nèi)襯的復合材料纏繞容器。該容器具有重量輕、承載能力高、安全和可靠性好等優(yōu)點，但該容器設(shè)計的關(guān)鍵是，如何合理地選擇其金屬內(nèi)襯和復合材料纏繞層的材料和幾何尺寸。
為了提高容器的承載能力，除了采用較厚復合材料纏繞層外，還必須充分發(fā)揮金屬內(nèi)襯材料的塑性變形能力。為此，在容器制造過程中，一方面控制纖維纏繞的預張力，另一方面在容器固化成型后，又必須采用施加預壓力工藝，使其金屬內(nèi)襯進人塑性，然后卸載獲得合理的壓縮殘余應力，以減小在工作狀態(tài)下金屬內(nèi)襯的應力，從而達到提高承載能力和疲勞壽命的目的。關(guān)于厚復合材料纏繞層的強度分析也是設(shè)計者的難點之一，目前常用的基于網(wǎng)絡(luò)理論的解析方法和基于經(jīng)典層合理論的有限元方法都不能正確描述厚復合材料纏繞層的三維力學特征。本文采用了以層合板等效剛度概念為基礎(chǔ)的有限元法來分析厚纏繞層，這不僅能在分析中較好地考慮厚纏繞層的三維力學特征，同時又大大簡化了計算過程，節(jié)省了計算資源。
經(jīng)典層合板理論是分析薄層合結(jié)構(gòu)的一種有效方法理論。但對于中厚或厚層合結(jié)構(gòu)來說，為了反映其橫截面翹曲變形特征，經(jīng)常采用以高階位移試函數(shù)為基礎(chǔ)的層合板高階理論，以提高其分析精度。但是由于在高階理論中引人了廣義位移，往往導致計算和編程困難，同時這些高階理論仍然不能真實地反映中厚或厚層合結(jié)構(gòu)的三維應力和變形特征。在實際應用中，厚層合板都是按照一定次序鋪設(shè)的標準層組疊合而成的，以避免結(jié)構(gòu)出現(xiàn)翹曲變形，如果層合板的特征長度比標準層組的厚度大得多，這樣就可假定忽略其每單層材料的方向性特征，而將標準層組視為一種正交各向異性材料，則整個層合板便可采用等效原則建立其等效本構(gòu)關(guān)系。
設(shè)計標準層組由N層正交各向異性復合材料單層板組成，每一層的纖維鋪設(shè)方向是任意的，它的坐標系統(tǒng)見圖所示。在標準層組內(nèi)，定義以下的宏觀有效應力和應變?yōu)槠渲�，v是標準層組的體積。若假定層合板的面內(nèi)尺寸是無限的，則每一標準層組內(nèi)的單層板的面內(nèi)應力和應變場為均勻場，設(shè)復合容器幾何尺寸為金屬內(nèi)襯材料為35CrMo，彈性模量泊松比f，強度極限為35CrMo。應力-應變曲線，纏繞層為玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復合材料，其材料常數(shù)分別為：假設(shè)容器的內(nèi)壁尺寸和總厚度保持不變，通過改變金屬內(nèi)襯和纏繞層的相對厚度比，討論其對復合容器應力狀態(tài)和承載能力的影響。
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