一种纤维缠绕相交球壳压力容器

本发明涉及压力容器结构设计领域，特别是对结构重量要求高、内部压力高、设计空间复杂的压力容器。

压力容器主要有圆柱壳和球壳两种结构形式，其中标准球壳的结构效率最高，内压作用下球壳处于等应力状态，材料利用率最高，一般用于对材料成本或者结构重量要求比较高的场景，比如高压气瓶、挤压压力容器等。球壳压力容器的缺点是制造工艺复杂，对空间要求高，必须容得下完整球体的空间，同时与其他结构的连接也较为困难。圆柱壳压力容器由两端的球壳和中间的圆柱壳组成，通常为了节省空间，将两端的球壳改为高度更短的椭球壳或者三心壳。与理想球壳相比，圆柱壳体压力容器在同等容积下表面积更大，且相同压力、半径下，柱段壳体的厚度要较球壳高一倍，因此相同容积和压力要求下，圆柱壳压力容器的结构重量要明显高于球壳。圆柱壳压力容器的优点是生产工艺简单、方便安装和运输。

如何发挥球壳、圆柱壳压力容器各自的优点，实现结构减重是压力容器设计的难点。

本发明主要解决传统圆柱壳压力容器重量偏高，球壳压力容器直径偏大的矛盾，实现给压力容器结构减重，提高结构效率。

本发明的有益效果是：在实现与球壳压力容器结构效率相当的前提下，兼具圆柱壳、球壳压力容器的优点，能够适应各种空间布局，兼具减重和灵活设计的优点。应用本发明可以显著降低压力容器结构重量。

结合附图1，本发明相关的计算公式推导如下：

r1、r2分别为两个相交球壳的中面半径；

t1、t2分别为两个相交球壳的厚度；

A、B分别为两个相交球壳球心到相交面的距离；

F1、F2分别为两个相交球壳的内应力在单位相交弧长的合力；

F3为F1、F2的合力；

L为两个相交球壳的球心距，且L＝A+B；

P为压力容器内部压力。

根据几何关系，容易推导得出：

按照等应力设计，球壳的厚度满足：

在球壳相交线处，2个球壳和缠绕的纤维束的内力处于静平衡状态，按等应力设计，假设球壳内应力均为σ，则单位相交弧长内的球壳内应力合力分别为：

按照静力平衡条件，三个球壳在单位弧长的合力的径向分量是平衡的，即满足：

F3＝F1cosα+F2cosβ

即：

F3＝σ(t1cosα+t2cosβ) (5)

实现压力容器壳体结构为等应力状态需要满足在相交面处，壳体径向变形与纤维束径向变形相等。对于球壳结构，当内应力为σ时，根据胡克定律，其径向变形Δr为：

当缠绕纤维束单位弧长受到单位弧长径向力F3作用，其横截面内力：

F＝F3r1sinα

即：

F＝σ(t1cosα+t2cosβ)r1sinα (7)

此时纤维束径向位移为：

式7代入式8可得：

联合式6和式9，可解得：

将代入上式并考虑L＝r1cosα+r2cosβ、t1sinα＝t2sinβ可得：

图1是纤维缠绕相交球壳压力容器剖面图；

图2、图3是本发明较佳实施例的立体结构示意图；

其中：

①为压力容器球形壳体

②为缠绕纤维束

下面结合附图2、图3对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

本发明实施例包括：

实施例1：直径3.35米贮箱，如附图2所示，包括：

1)直径3.35米，高6.95米，由4个等直径球面相交组成，球心距1.2米，容积为50.06m^3；

2)设计内压1.0MPa；

3)4个球壳厚度均为5mm铝合金材料，弹性模量取2700kg/m^3，泊松比取0.3，铝壳体总重量为987.4kg；

4)在3个相交线位置，缠绕单向碳纤维束预浸带(纤维体积含量60％)，碳纤维束单向弹性模量为135GPa，密度1600kg/m^3；

5)按本发明公开的公式计算，每个相交面处缠绕的碳纤维束横截面积为4149.5mm^2，单圈纤维束重量65.2kg，总计3圈195.7kg；

6)整个贮箱结构重量为1183.2kg；

7)作为对比，如果采用球壳贮箱，同等容积等强度状态下，采用同种铝合金时球壳径为4.573米，厚度6.825mm，重量为1210.4kg；

8)作为对比，如果采用圆柱+球底结构形式，同等容积和最大直径(3.35 米)，圆柱长度为3.446米，厚度10mm，贮箱总重量1455.2kg

9)本应用案例及其对比可以看出，相同容积和强度要求下，本发明的贮箱结构重量优于球形和圆柱形贮箱，分别实现减重2.25％和18.69％；

10)由于采用的简单的纤维束缠绕方案，本发明公开的贮箱结构生产工艺性优于纯复合材料贮箱结构。

实施例2：纤维缠绕环形气瓶结构，如附图3所示，包括：

1)最大外径1.2米的环形压力容器，由6个直径0.5米的相交球壳组成；

2)每个相交线处缠绕碳纤维束增强。

3)此结构可以推广用于在各种异型空间设计空间利用率高的高压气瓶。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。