高壓全纏繞復(fù)合材料氣瓶自緊優(yōu)化分析

吳澤敏 宋利濱 馬 源

(1.大連理工大學(xué)化工機(jī)械學(xué)院；2.中國特種設(shè)備檢測研究院)

復(fù)合材料氣瓶作為一種氣體儲罐，以其比強(qiáng)度和比剛度高、抗疲勞性能好及質(zhì)量輕等諸多優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、交通運(yùn)輸、化工及醫(yī)療等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[1]。復(fù)合材料氣瓶工作時(shí)需要不斷地充放氣體，因此對其疲勞性能要求較高。由于復(fù)合材料氣瓶內(nèi)襯和復(fù)合材料層所使用的材料存在巨大差異，造成其沿壁厚方向的應(yīng)力分布不均，從而降低了其疲勞使用壽命。目前在生產(chǎn)過程中，普遍采用自緊處理方法使復(fù)合材料氣瓶在零壓時(shí)內(nèi)襯處于受壓狀態(tài)而復(fù)合材料層處于受拉狀態(tài)，從而降低工作時(shí)內(nèi)襯的受力[2]，充分發(fā)揮纖維的高強(qiáng)度性能并提高復(fù)合材料氣瓶的疲勞性能。

目前，國內(nèi)外對全纏繞復(fù)合材料氣瓶自緊壓力范圍的確定和優(yōu)化主要是參照美國DOT-CFFC標(biāo)準(zhǔn)[3]中的相關(guān)要求完成的，該標(biāo)準(zhǔn)僅適用于工作壓力34.5MPa以下、容積90.7L以下的全纏繞復(fù)合材料氣瓶。隨著復(fù)合材料氣瓶的發(fā)展，低壓力、低容量的復(fù)合材料氣瓶已無法滿足相應(yīng)的工藝要求，對于工作壓力高于34.5MPa全纏繞復(fù)合材料氣瓶自緊壓力的優(yōu)化方法鮮有報(bào)導(dǎo)。雖然文獻(xiàn)[4，5]中分別對工作壓力為35.0、40.0MPa的全纏繞復(fù)合材料氣瓶自緊壓力進(jìn)行了優(yōu)化，但其均僅是參照DOT-CFFC標(biāo)準(zhǔn)來完成的，因此得到的最佳自緊壓力值的準(zhǔn)確性有待考察。

國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO于2002年批準(zhǔn)了一部纖維纏繞復(fù)合氣瓶標(biāo)準(zhǔn)ISO-11119[6]，該標(biāo)準(zhǔn)適用于工作壓力43.3MPa以下、容積450L以下的復(fù)合材料氣瓶，但標(biāo)準(zhǔn)中僅給出了復(fù)合材料層的纖維應(yīng)力比的限制要求，對于內(nèi)襯層應(yīng)力分布的限制未作任何說明。為了更準(zhǔn)確地得到工作壓力在34.5MPa以上的全纏繞復(fù)合材料氣瓶的最佳自緊壓力，筆者同時(shí)參照DOT和ISO兩標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)要求對工作壓力35.0MPa、容積140L的全纏繞復(fù)合材料氣瓶進(jìn)行自緊優(yōu)化。

1 全纏繞復(fù)合材料氣瓶有限元分析

1.1基本材料參數(shù)

文中所分析的全纏繞復(fù)合材料氣瓶內(nèi)襯層選用鋁合金6061-T6，復(fù)合材料層纖維選用12K-T700碳纖維，樹脂基體選用環(huán)氧樹脂。鋁合金6061-T6材料性能參數(shù)如下：

彈性模量 69GPa

塑性模量 0.69GPa

泊松比 0.324

屈服強(qiáng)度 296MPa

抗拉強(qiáng)度 330MPa

12K-T700碳纖維材料性能參數(shù)如下：

抗拉強(qiáng)度 4.9GPa

拉伸模量 230GPa

伸長率 2.1%

線密度 800mg/m

密度 1.80g/cm3

12K-T700/環(huán)氧樹脂材料性能參數(shù)如下(其中Ei表示材料i方向上的彈性模量，Gij表示材料的剪切模量，μij表示泊松比)：

Ex154.1GPa

Ey11.41GPa

Ez11.41GPa

Gxy7.092GPa

Gyz3.792GPa

Gxz7.092GPa

μxy0.33

μyz0.49

μxz0.49

1.2有限元模型及網(wǎng)格劃分

為了保證數(shù)值計(jì)算求解的精確性，分析時(shí)選用三維20節(jié)點(diǎn)Solid95實(shí)體單元模擬復(fù)合材料氣瓶內(nèi)襯層，選用Shell99殼單元模擬復(fù)合材料層。由于復(fù)合材料氣瓶上的纖維纏繞方式是對稱纏繞，可將復(fù)合材料層的幾何結(jié)構(gòu)看作是軸對稱結(jié)構(gòu)，因此全纏繞復(fù)合材料氣瓶有限元模型可簡化為軸對稱模型。由于復(fù)合材料層屬于一種各向異性材料，為確保分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，分析時(shí)需要保證內(nèi)襯外表面的外法線方向和復(fù)合材料層部位的單元坐標(biāo)方向是一致的。筆者選取全纏繞復(fù)合材料氣瓶環(huán)向1/8結(jié)構(gòu)建立其有限元模型(圖1)。

分析時(shí)為與實(shí)際情況相符，在復(fù)合材料氣瓶的軸向剖面上施加對稱約束，內(nèi)襯內(nèi)表面施加均布內(nèi)壓，兩端的瓶頸端部分別施加軸向位移約束和內(nèi)壓引起的等效軸向載荷。

圖1 復(fù)合材料氣瓶1/8有限元模型及網(wǎng)格

2 自緊的必要性

自緊常應(yīng)用于金屬厚壁高壓容器。在自緊壓力作用下，讓容器在靠近內(nèi)壁的部分厚度范圍內(nèi)達(dá)到屈服而產(chǎn)生塑性變形，當(dāng)卸掉自緊壓力后，內(nèi)壁處產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。其目的是使容器在工作壓力下，容器內(nèi)、外壁的拉應(yīng)力能夠相近些，以較充分地利用材料[7]。纖維纏繞復(fù)合材料氣瓶不算是厚壁容器，但由于內(nèi)膽和纏繞層材料力學(xué)性能的巨大差異，當(dāng)內(nèi)膽已經(jīng)屈服時(shí)，纖維還處于低應(yīng)力狀態(tài)，纖維優(yōu)良的高強(qiáng)度性能得不到充分發(fā)揮。復(fù)合材料氣瓶面臨的這個(gè)問題恰好可以通過自緊來解決[8]。筆者通過對比分析自緊前后，工作壓力下復(fù)合材料氣瓶內(nèi)襯層進(jìn)入塑性狀態(tài)的程度，來進(jìn)一步說明自緊處理的必要性。

自緊前后工作壓力下內(nèi)襯層進(jìn)入塑性部分的Mises應(yīng)力分布和復(fù)合材料層的Mises應(yīng)力分布如圖2、3所示。可見圖2a中內(nèi)襯部分筒體已經(jīng)進(jìn)入塑性應(yīng)力狀態(tài)，經(jīng)過自緊處理后，圖2b中內(nèi)襯整體仍處于彈性應(yīng)力狀態(tài)。

由圖2、3可知，工作壓力下，未自緊處理的復(fù)合材料氣瓶內(nèi)襯層部分筒體已進(jìn)入塑性應(yīng)力狀態(tài)，復(fù)合材料層應(yīng)力強(qiáng)度較低，遠(yuǎn)低于碳纖維的抗拉強(qiáng)度；經(jīng)自緊處理后，復(fù)合材料氣瓶內(nèi)襯層全部處于彈性狀態(tài)，且復(fù)合材料層的應(yīng)力強(qiáng)度有顯著提高，說明自緊處理能有效提高復(fù)合材料氣瓶的承載能力和纖維利用率。

圖2 自緊前后工作壓力下內(nèi)襯塑性部分Mises應(yīng)力

圖3 自緊前后工作壓力下復(fù)合材料層Mises應(yīng)力

3 自緊壓力優(yōu)化

由自緊原理可知，自緊壓力要高于復(fù)合材料氣瓶的水壓試驗(yàn)壓力，故選取其水壓試驗(yàn)壓力作為自緊壓力的初值，分析時(shí)通過不斷提高自緊壓力并觀察經(jīng)自緊壓力處理后的復(fù)合材料氣瓶內(nèi)襯層和復(fù)合材料層上的應(yīng)力強(qiáng)度分布是否滿足DOT和ISO標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)要求，來進(jìn)一步確定其最佳自緊壓力。由于DOT和ISO標(biāo)準(zhǔn)中均有對纖維應(yīng)力比的限制，但其纖維應(yīng)力比的計(jì)算方法不同，為了區(qū)別兩標(biāo)準(zhǔn)中的纖維應(yīng)力比，筆者將兩標(biāo)準(zhǔn)中的纖維應(yīng)力比分別簡稱為DOT纖維應(yīng)力比和ISO纖維應(yīng)力比，DOT和ISO兩標(biāo)準(zhǔn)中對復(fù)合材料氣瓶應(yīng)力的相關(guān)要求如下：

a. DOT標(biāo)準(zhǔn)。工作壓力下，鋁內(nèi)襯的應(yīng)力不得超過其材料屈服強(qiáng)度的60%；自緊處理后零壓下，鋁內(nèi)襯應(yīng)力不得低于其材料屈服強(qiáng)度的60%，且不得超過屈服強(qiáng)度的95%；復(fù)合材料氣瓶的纖維應(yīng)力比(最小爆破壓力與工作壓力下纖維層應(yīng)力的比值)應(yīng)不低于10/3。

b. ISO標(biāo)準(zhǔn)。復(fù)合材料氣瓶的纖維應(yīng)力比(最小爆破壓力與2/3水壓試驗(yàn)壓力下纖維層應(yīng)力的比值)應(yīng)不低于2.4。

零壓和工作壓力下內(nèi)襯的最大Mises應(yīng)力隨自緊壓力的變化曲線如圖4所示。可見，零壓下內(nèi)襯上最大Mises應(yīng)力隨著自緊壓力的升高而增大；工作壓力下內(nèi)襯上最大Mises應(yīng)力隨著自緊壓力的升高而降低。其主要是因?yàn)閺?fù)合材料氣瓶自緊后所產(chǎn)生的塑性變形隨著自緊壓力的升高不斷變大，使得零壓下內(nèi)襯的殘余壓應(yīng)力也不斷變大，復(fù)合材料氣瓶工作時(shí)在內(nèi)壓作用下產(chǎn)生的應(yīng)

圖4 最大Mises應(yīng)力隨自緊壓力變化曲線

力一部分需要與自緊后產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力相互抵消，因此出現(xiàn)隨著自緊壓力的升高，零壓下內(nèi)襯層的最大Mises應(yīng)力不斷增大，工作壓力下內(nèi)襯層的最大Mises應(yīng)力不斷降低的趨勢。根據(jù)這一分析結(jié)果和DOT標(biāo)準(zhǔn)可初步判斷出自緊壓力的取值范圍在62.4～67.8MPa之間。

筆者為了更準(zhǔn)確地找出自緊壓力的取值范圍，根據(jù)DOT和ISO標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于復(fù)合材料層纖維應(yīng)力比的要求作進(jìn)一步分析。纖維應(yīng)力比隨自緊壓力的變化曲線如圖5所示。

圖5 纖維應(yīng)力比隨自緊壓力變化曲線

由圖5可知，DOT纖維應(yīng)力比和ISO纖維應(yīng)力比均隨著自緊壓力的升高而降低，同時(shí)滿足兩標(biāo)準(zhǔn)中纖維應(yīng)力比要求的自緊壓力取值范圍應(yīng)不超過64.4MPa。

結(jié)合圖4、5的分析，最終確定出全纏繞復(fù)合材料氣瓶的自緊壓力取值在62.4～64.4MPa之間。綜合考慮復(fù)合材料氣瓶的疲勞性能和碳纖維的利用率，可選取自緊壓力的取值上限作為全纏繞復(fù)合材料氣瓶的最佳自緊壓力。經(jīng)最佳自緊壓力處理后，工作壓力下復(fù)合材料氣瓶內(nèi)襯層和復(fù)合材料層的Mises應(yīng)力如圖6所示。

自緊處理前后，工作壓力下氣瓶的內(nèi)襯和復(fù)合材料層的最大Mises應(yīng)力值對比見表1。

表1 自緊前后氣瓶內(nèi)襯和復(fù)合材料層的最大Mises應(yīng)力

由表1可知，經(jīng)自緊處理后，35.0MPa全纏繞復(fù)合材料氣瓶內(nèi)襯層的承載能力提高了42.1%，復(fù)合材料層的纖維性能提高了38.7%。

4 結(jié)論

4.1未自緊情況下，全纏繞復(fù)合材料氣瓶在工作狀態(tài)下內(nèi)襯層部分筒體已進(jìn)入塑性應(yīng)力狀態(tài)，復(fù)合材料層的應(yīng)力強(qiáng)度較低。自緊后，內(nèi)襯層全部處于彈性狀態(tài)，復(fù)合材料層的應(yīng)力強(qiáng)度明顯高于自緊處理前。說明自緊處理能夠提高復(fù)合材料氣瓶的承載能力和纖維強(qiáng)度的利用率。

4.2利用DOT-CFFC和ISO-11119兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對35.0MPa全纏繞復(fù)合材料氣瓶進(jìn)行自緊壓力優(yōu)化。結(jié)果表明當(dāng)自緊壓力為64.4MPa時(shí)，全纏繞復(fù)合材料氣瓶的性能可達(dá)到最佳狀態(tài)。

4.3經(jīng)64.4MPa自緊壓力處理后，35.0MPa全纏繞復(fù)合材料氣瓶內(nèi)襯層的承載能力提高了42.1%，復(fù)合材料層的纖維性能提高了38.7%。

[1] 王榮國，赫曉東，胡照會，等.超薄金屬內(nèi)襯復(fù)合材料壓力容器的結(jié)構(gòu)分析[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2010，27(4)：131～138.

[2] 黃再滿，蔣鞠慧，薛忠民，等.復(fù)合材料天然氣氣瓶預(yù)緊壓力的研究[J].玻璃鋼/復(fù)合材料，2001，(5)：29～32.

[3] DOT-CFFC，Basic Requirements for Fully Wrapped Carbon-fiber Reinforced Aluminum Lined Cylinders[S].Washington：United Stated Department of Transportation，2000.

[4] 陳亮，孫紅衛(wèi)，陳國清，等.碳纖維纏繞復(fù)合氣瓶自緊力和疲勞的數(shù)值模擬[J].宇航材料工藝，2012，42(4)：16～20.

[5] 張廣哲，王和慧，關(guān)凱書.碳纖維纏繞儲氫氣瓶的有限元自緊分析和爆破壓力預(yù)測[J].壓力容器，2011，28(8)：27～34，43.

[6] ISO-11119，Gas Cylinders of Composite Construction-Specification and Test Methods-Part 2：Fully Wrapped Fibre Reinforced Composite Gas Cylinders with Load-sharing Metal Liners[S].Switzerland：ISO，2002.

[7] 嵇醒，戴瑛，顧星若.碳纖維纏繞鋁內(nèi)膽氣瓶的有限元分析與自緊設(shè)計(jì)[J].力學(xué)季刊，2003，24(3)：385～389.

[8] 徐君臣，銀建中.纖維纏繞復(fù)合材料氣瓶研究進(jìn)展[J].應(yīng)用科技，2012，39(4)：64～71.