鋁內膽碳纖維全纏繞氣瓶疲勞應變監測方法

徐燕生， 劉祚時， 王漢奎， 俞 躍

(1.江西理工大學 機電工程學院，江西 贛州 341000; 2.中國特種設備檢測研究院，北京 100029)

0 引言

復合材料壓力容器由于具有輕量化、剛性好、強度高、抗疲勞性能好和使用壽命長等優點，在航空航天、交通、石油化工和醫療等行業有著十分廣泛的應用[1]，同時,其存儲介質大多易燃易爆。近年來，壓力容器爆炸事故時有發生，復合材料壓力容器的安全性問題亟待解決。

針對壓力容器的安全問題，學者們展開了大量的研究[2-4]，嘗試了多種檢測方法,如超聲檢測技術[5]、X射線數字成像檢測技術[6]、聲發射技術[7]和紅外熱成像技術[8]等。隨著傳感、材料和信息處理等技術的飛速發展，在復合材料的結構監測方面，國內外學者也采取多種方法進行了深入研究。文獻[9]將多根光纖埋入復合材料層板內，橫縱交錯形成正交網絡，用于監測測試層板沖擊損傷和擴展過程。文獻[10]用聲發射技術分別在靜態和疲勞載荷下對碳纖維增強塑性復合材料層合板進行監測，試驗發現聲發射能量可在疲勞壽命預測方面提供有效的損傷參數和失效準則，反映出材料當前的損傷狀態，并能對載荷變化做出響應。文獻[11]在靜態和疲勞試驗情況下，采用紅外熱成像技術對玻璃纖維復合材料表面溫度進行監測，結果表明，熱成像技術可以監測損傷的演變并預估疲勞壽命。文獻[12]用應變片和壓電陶瓷傳感器對復合材料風輪葉片進行疲勞監測，通過對采集數據的分析，將應變監測用于復合材料風機葉片疲勞損傷預警。文獻[13]采用埋入式應變片對纖維纏繞壓力容器進行健康監測，在復合材料壓力容器制備過程中，將應變片埋在纖維層和內膽之間。通過進行疲勞加爆破試驗，證明采用埋入式應變傳感器監測纖維纏繞壓力容器的健康狀況具有可行性。

復合材料氣瓶主要分為泄漏和爆破兩種失效模式[14-15]，在氣瓶疲勞過程中，復合材料層始終處于彈性變形，而金屬內襯往往會產生塑性變形，由于殘余應變的不斷積累，很容易引起內襯產生局部屈曲，最終導致氣瓶的疲勞壽命降低[16]。

在復合材料氣瓶實際疲勞過程中，通常也是表現為未爆先漏，在疲勞后期，復合材料氣瓶表面雖然未見明顯開裂，但隨沖壓泄壓的進行，氣瓶表面有介質流出，出現泄漏。結合目前的研究，分析可能是由于在疲勞過程中，金屬內膽首先疲勞失效，之后介質流出內膽進入纖維層。而對于復合材料層，其始終處于彈性變形，但疲勞后期內膽膨脹使得表面基體不斷開裂，最終介質流出氣瓶，復合材料氣瓶失效。

為探究復合材料氣瓶的疲勞過程，結合現有的監測方法驗證這一分析，本文提出了一種基于應變片的鋁內膽碳纖維全纏繞氣瓶疲勞監測方法。針對鋁內膽碳纖維全纏繞氣瓶，采用應變片對其進行疲勞監測，分離溫度效應后處理試驗數據，再結合其他檢測方法輔助驗證，證明該方法對復合材料氣瓶的疲勞監測具有一定可行性。

1 溫度效應理論

在采用應變電測法測量應變時，由于應變片的阻值會隨著溫度的變化而發生改變[17]，溫度的影響不容忽視。當溫度變化量為△T時，應變片對應的應變輸出即熱輸出公式為[18]：

(1)

其中：αT為應變片敏感柵的電阻溫度系數，10-6/℃；K為應變片的靈敏度系數，V/g；βs為與應變片相連試件的線性膨脹系數，1/℃；βg為應變片敏感柵線性膨脹系數，1/℃。為消除熱輸出εT，由式(1)提出式(2)，有：

(2)

當調節式(2)中的應變片敏感柵電阻溫度系數，使其滿足式(2)，將熱輸出消除。但由于應變片的工藝、試件的線性膨脹系數不匹配或者不為常數，往往實際熱輸出不能完全消除，則試件受力作用下應變片采集到的實際應變為：

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(3)

其中：ε為應變片采集應變；εβ為試件的機械應變，即應變與溫度成一次線性關系。應變片的阻值R與ε的關系為:

；

(4)

Rc-R=△R

；

(5)

Tc-T=△T

。

(6)

聯立上述各式，整理可得:

Rc=[RαT+(βs-βg)KR]Tc+KRεβ+R-[RαT+(βs-βg)KR]T，

(7)

其中：Rc為實際阻值；R為初始阻值；Tc為實際溫度；T為初始溫度。令:

RαT+(βs-βg)KR=a

；

(8)

KRεβ+R-[RαT+(βs-βg)KR]T=b

，

(9)

Rc=aTc+b

。

(10)

通過計算分離溫度效應可得到b值，即試件真實應變所對應的應變片阻值。由式(9)可知，試件的機械應變εβ和b成線性關系，其變化趨勢一致，故可用b值來判斷實際的應變變化情況，由此考慮使用數學計算的方式進行溫度效應的分離。

2 試驗設計

2.1 試驗思路

本文以Ⅲ型氣瓶來展開研究，選取合適應變片粘貼于復合材料氣瓶表面，對其進行疲勞監測。同樣，在疲勞試驗過程中，由于不斷打壓以及外界環境的影響，瓶體溫度會發生一系列變化，溫度因素對監測結果的影響不容忽視。本文主要采用回歸分析來剔除溫度效應，對溫度效應進行分離，可以使結果更為準確。

試驗中的Ⅲ型氣瓶，選用的是北京天海工業有限公司生產的20 MPa、1.6 L鋁內膽碳纖維全纏繞復合氣瓶，其具體參數見表1，使用PT100鉑熱電阻對瓶體進行溫度信號的采集。

表1 試驗用復合材料氣瓶參數

2.2 試驗平臺

圖1 現場實際布置情況

試驗采用海德利森氣瓶疲勞試驗機，通過多通道對氣瓶進行應變數據的采集，用 PT100鉑熱電阻采集溫度變化。由于復合材料氣瓶應力集中于瓶體中部[19]，故沿氣瓶瓶身中部環繞布置應變片，室溫固化24 h，將PT100鉑熱電阻粘貼于對應位置，具體布置如圖1所示。

疲勞試驗參照GB 28053—2011《呼吸器用復合氣瓶》[20],疲勞的最大和最小壓力分別設置為20 MPa 和 0 MPa，試驗具體參數見表2。疲勞循環至氣瓶失效，實際打壓62 135次循環。

表2 疲勞試驗參數表

3 數據處理和分析

3.1 溫度效應分離

因本次試驗時間較長，同時由于機器和人員需要休息調整，故分多次間斷進行，共進行12段，第12段數據采集時氣瓶發生泄漏。對采集數據預處理后，各通道結果如圖2所示。

圖2 各通道全程采集結果 圖3 1通道第10段采集數據

為排除由于環境以及不斷疲勞導致瓶體溫度變化的影響，對數據進行溫度效應分離。以1通道第10段采集數據為例，結果見圖3。由圖3可知：應變片阻值和溫度近似成一次線性關系，隨著溫度上升，應變片阻值也呈現上升狀態。

由式(10)有：Rc=aTc+b,其中,Rc為實際阻值，Ω；Tc為實際溫度，℃;a、b為回歸參數。對數據使用線性回歸擬合，擬合公式參數見表3。

表3 回歸分析參數表

對線性回歸模型，往往利用判定系數R2來確定線性回歸的擬合程度。R2越接近1，則該回歸擬合程度越高。以第8段采集為例，判定系數R2=0.987 8，表明其線性關系顯著。

圖4 去除溫度效應1通道低壓數據曲線

用前幾次擬合參數來估測最后一段(第12段)的回歸參數。由于采集第1段數據時，為使疲勞試驗機穩定而有過多次調整，采集結果不太準確，故排除此次結果，以2～11段數據來估測，其均值b1= 0.001 41。為方便對結果研究，取其中谷值即氣瓶卸壓完成后穩壓狀態時的應變片阻值進行處理，去除溫度因素后結果如圖4所示，2～11段應變片采集數據在120.31 Ω至120.32 Ω上下波動，再以均值b來處理1通道整體數據進行溫度效應的分離，如圖5所示。同理，得到4個通道整體結果，如圖6所示。

圖5 去除溫度效應1通道全程數據曲線

圖6 各通道去除溫度效應后全程數據曲線

整個疲勞試驗過程中氣瓶瓶身無肉眼可見的明顯變形，氣瓶最終以泄漏的形式失效，并未發生爆裂。由圖2和圖6的對比可較好地看出： 溫度對試驗結果有一定影響，隨溫度逐漸上升，采集數據也呈現上升狀態。去除溫度效應后，根據圖6可得: 隨著氣瓶的升壓降壓，數據基本在一定范圍內上下波動，較為平穩，符合氣瓶正常工作的情況，即分離溫度效應后的數據真實有效。而隨著疲勞試驗的進行，在疲勞試驗后期，數據曲線有一個較為明顯的突變過程，對此突變拐點的對應周期約為58 800次，此時氣瓶尚未發生泄漏，即能提前約1 000多周期做出預警，由試驗結果可以初步設定預警值為在原有應變阻值基礎上增加0.004%。

3.2 進一步驗證

為進一步驗證氣瓶失效情況，采用工業計算機體層成像(computed tomography, CT)對疲勞后的氣瓶進行檢測，具體如圖7所示。由圖7可知： 纖維層出現分層、空隙缺陷等缺陷情況，外表樹脂基體出現開裂，未見到明顯的纖維層斷裂。結合上述分析，可判斷數據突變是由內膽疲勞失效導致的。

(a)空隙缺陷圖 (b) 分層圖 (c) 損傷圖

4 結束語

本文以鋁內膽碳纖維全纏繞復合氣瓶為研究對象，分析其整個疲勞過程的變化情況，用應變片對其進行疲勞過程的應變監測。通過溫度效應的分離，數據結果能很好地反映出氣瓶膨脹收縮狀態，對氣瓶疲勞失效有著一定的預警作用，說明應變片在復合材料氣瓶疲勞監測方面具有應用潛力，同樣也可以為其他復合材料壓力容器的狀態監測提供參考。下一步將圍繞復合材料氣瓶的應力分布情況做進一步研究，確定本研究方法的準確性，也將對應變片的使用壽命等情況作相應考慮。