考虑预应变效应的III型碳纤维全缠绕管式拖车气瓶疲劳寿命评估新方法

本文创新性地提出了一种考虑预应变效应的III型碳纤维全缠绕管式拖车气瓶疲劳寿命评估方法。通过铝合金6061-T6（Alloy 6061-T6）的预应变疲劳试验，揭示了预应变水平对小应变幅（增强）和大应变幅（削弱）的双重影响机制，并结合自紧压力（self-tightening pressure）优化了气瓶结构响应分析，为氢能源储运装备（Type III CFRP）的安全设计提供了理论支撑。

　　

Highlight

考虑预应变效应的疲劳寿命评估新方法

如引言所述，预应变水平对材料性能的影响体现在两方面：其一，预应变会改变材料的拉伸和循环应力-应变曲线，可能影响管式拖车气瓶运行时的结构响应；其二，预应变效应会通过联合作用（屈服/极限应力提高与延展性下降）改变衬垫材料的疲劳失效循环次数。鉴于疲劳载荷的最大/最小值均小于自紧压力（self-tightening pressure），气瓶在循环条件下可达到弹性安定状态，因此本研究聚焦第二方面，提出了一种整合预应变效应的新型疲劳寿命评估方法。

材料与拉伸性能

衬垫材料为铝合金6061-T6（Alloy 6061-T6），其化学成分见表1。在室温和最高工作温度（85°C）下进行拉伸试验，结果显示该材料具有优异的载荷承载能力和疲劳强度。

衬垫几何与网格划分

选取典型III型碳纤维全缠绕管式拖车气瓶进行有限元分析，其最高工作压力为52 MPa，自紧压力为90 MPa。通过精细化网格建模（图5），重点分析过渡区（dome-cylinder transition）的应力集中现象。

循环应力-应变曲线与滞回曲线

图9展示了预应变水平（PS=0%、1.5%、5%）对Alloy 6061-T6滞回环的影响：小应变幅（如0.3%）呈线性弹性特征，而大应变幅（如0.6%）则呈现典型滞回环，证实材料具有显著循环硬化（cyclic hardening）特性。

结论

1. Alloy 6061-T6在所有预应变水平下均表现出循环硬化特征；

2. 预应变水平对小应变幅（提升疲劳寿命）和大应变幅（降低寿命）具有相反作用；

3. 自紧压力通过诱导衬垫更高压缩应力和预应变水平，显著延长气瓶疲劳寿命。

（注：翻译中省略文献引用标识[21]-[26]及图示编号，专业术语保留英文缩写并标注上下标，如Type III CFRP、PS=1.5%等）