A new design method of winding tension considering thick-wall effect for composite overwrapped pressure vessel
本文提出并验证了一种用于复合材料缠绕压力容器绕线张力的全新解析设计方法，该方法通过构建逐渐增加的残余应力分布来抵消厚壁效应，从而实现均匀的总应力分布并提高纤维强度利用率。
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在摆脱化石燃料的竞赛中，氢气已成为一种清洁且强大的替代能源，能够为车辆提供动力而不向大气中排放碳。然而，储存这种气体是一个巨大的挑战，因为它极其轻盈且容易泄漏，需要极高的压力才能在狭小的空间内容纳足够数量的氢气。为了承受这种压力，工程师们使用复合材料缠绕压力容器，其本质上是包裹着紧密碳纤维层的坚固金属罐。随着对更长续航里程的需求日益增长，这些容器必须承受更高的压力，这迫使纤维层变得更厚。这种厚度产生了一个隐藏的问题：靠近金属核心的层承担了大部分负荷，而外层则相对松弛。这有点像一支跑步队，领头的跑者正在全力冲刺，而后面的队员仅仅是在慢跑；整个队伍的总速度受限于外层队员未能充分发挥潜力的现状。
来自巢湖大学和浙江工业大学的研究人员开发了一种新的压力容器设计方法，以解决这种不平衡问题。他们专注于“厚壁效应”，即应力会随着从容器内侧向外侧移动而自然下降的现象。在研究中，他们分析了一个旨在储存氢气的容器，其压力为70兆帕，这是现代燃料电池车的典型压力。通过详细的计算机模型，他们证实了在标准设计中，最内层的纤维层承受的应力为203兆帕，而最外层仅感受到136兆帕。这意味着当内层即将断裂时，外层仅发挥了其强度的三分之二，这浪费了大量的材料，并限制了储罐能安全承受的最大压力。
为了解决这个问题，该团队推导出了出一种新的数学方法，用于计算每一层纤维在缠绕到罐体上时所需的精确张力。传统上，工程师通常会对各层施加统一的张力或逐渐递减的张力，但这并不能纠正应力不平衡。而这种新方法则是从预期的结果进行反向推导。研究人员首先确定了每层纤维仅由内部压力产生的应力，然后计算了在缠绕过程中本身应该留下的特定且变化的剩余张力（即残余应力）。通过仔细调整制造过程中每一层所施加的张力，他们设计出的容器使得缠绕过程产生的剩余张力能与内部压力相叠加，从而使总应力在所有层之间保持相等。在他们的设计中，从最内层到最外层，每一层最终承受的总应力均为214兆帕。
该团队使用了一种能够模拟纤维缠绕物理过程的高级计算机模拟技术来测试这种新设计方法。他们通过虚拟地收缩各层来模拟张力，这就像真实的张力一样会拉动内层。结果显示，虽然传统方法在内层和外层的应力之间留下了明显的差距，但新方法几乎完美地平滑了这一差距。模拟表明，新设计消除了厚壁效应，确保所有的纤维层同时达到其断裂点。这使得容器能够利用每一层碳纤维的全部强度，而不仅仅是靠近中心的那些层。通过使应力分布均匀化，研究人员展示了一种构建压力容器的方法，使其不仅更安全，而且更高效，潜在地实现了制造更轻量化的储罐或在不增加过早失效风险的情况下实现更高压力的存储。
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