Basierend auf den Grundprinzipien der elasto-plastischen Mechanik wird eine Festigkeitsanalyse eines neuartigen Hochdruckbehälters mit dünnem Innenzylinder und Flachbandwicklung durchgeführt und Designkriterien vorgeschlagen. Unter Betriebsbedingungen ist das Stahlband einer Zugspannung ausgesetzt, die mit der Wickelrichtung ausgerichtet ist, sowie einer radialen Spannung, die sich aus den kombinierten Effekten des internen Betriebsdrucks und der Zugspannung vor dem Wickeln ergibt.
Die Wickelschicht des Gefäßes ist an ihrem Innenradius einem Innendruck und an ihrem Außenradius (der dem Außendurchmesser des Gefäßes entspricht) einem Außendruck ausgesetzt. Der Herstellungsprozess, bei dem Stahlbänder unter Vorspannung gewickelt werden, reduziert die Spannung im dünnen Innenzylinder und erhöht so die Widerstandsfähigkeit des Behälters gegen den Innendruck. Durch eine optimierte Konstruktion werden „gleiche Festigkeitseigenschaften“ erreicht, was bedeutet, dass bei steigendem Innenbetriebsdruck sowohl die Wickellage als auch der Innenzylinder gleichzeitig den Fließzustand erreichen.
Für den Fall, dass sowohl der dünne Innenzylinder als auch die Wickelschicht gleichzeitig nachgeben, lässt sich eine Formel zur Berechnung des ultimativen Innenbetriebsdrucks ableiten. Bei der Gestaltung der radialen Abmessungen eines Behälters, der im Fließzustand betrieben wird, müssen der interne Betriebsdruck und der Innendurchmesser des Behälters berücksichtigt werden, die beide durch die Anforderungen des Herstellungsprozesses vorgegeben werden. Die beim Bandwickeln aufgebrachte Vorspannung kann anhand von Materialausbeutekriterien berechnet und die Vorspannkraft während der eigentlichen Fertigung nach den entsprechenden Formeln gesteuert werden.
Durch die Analyse des Festigkeitsentwurfs von Flachstreifen-Wickeldruckbehältern gemäß ASME-Vorschriften – und unter Berücksichtigung der spezifischen Merkmale der Entwurfsmethoden der Vorschriften neben den inhärenten Eigenschaften dieser Behälter – kann ein optimierter Entwurfsansatz formuliert werden.
Die Ergebnisse der theoretischen Analyse zeigen eine allgemeine Übereinstimmung mit experimentellen Daten. Zu den Themen, die einer weiteren Untersuchung bedürfen, gehören die Analyse der Reibungswechselwirkungen zwischen dem dünnen Innenzylinder und der Wicklungsschicht (sowie zwischen Wicklungsschichten) und die Auswirkungen dieser Wechselwirkungen auf die strukturelle Festigkeit.
Um Sicherheit und Zuverlässigkeit zu gewährleisten, müssen Flachstreifen-Wundgefäße einer Druckprüfung unterzogen werden. Der Prüfdruckkoeffizient λ wird typischerweise auf 1,15 für pneumatische Tests oder 1,25 für hydrostatische Tests eingestellt. Basierend auf der Zuverlässigkeitsentwurfstheorie und unter Berücksichtigung der Streckgrenze und Berstfestigkeit des Behälters kann die Beziehung zwischen dem Prüfdruckkoeffizienten und dem Sicherheitsfaktor analysiert werden. Standardsicherheitsfaktoren werden typischerweise auf größer oder gleich 1,45 für die Streckgrenze (ns) und größer oder gleich 2,30 für die Zugfestigkeit (nb) festgelegt.
