無焊縫連接金屬內襯復合材料壓力容器的制備工藝

（甘肅省特種設備檢驗檢測研究院，甘肅蘭州市，730000） 敬 睿 孟滿彤

纖維纏繞復合材料壓力容器由于其輕質高強等特性在移動汽車等領域得到廣泛由于，目前高壓氣態儲氫容器包括鋼制內膽纖維纏繞瓶、聚合物內膽氣瓶等。目前國內尚無與IV 型氣瓶相關設計標準，III 型氣瓶具有廣泛應用，GB/T 3554-2017 規定共稱水容積不大于450L工作溫度85℃><-40℃可重復裝氣瓶，規定鋁內膽不得焊接，III 型COPV 內襯通過沖壓等制造方法，內襯一體成型技術具有加工工藝要求高。本文研究提出無焊縫連接金屬復合材料壓力容器結構，解決封頭與筒體間軸向連續性問題，解決內襯有效密封性問題。

1 無焊縫連接金屬內襯復合材料壓力容器的設計與制備

1.1 COPV結構設計

無焊縫連接金屬內襯復合材料壓力容器結構包括左右封頭與密封元件等，左右封頭直邊具有安裝密封元件密封槽，筒體與密封元件通過過盈配合滿足密封要求。筒體端部與封頭端面槽配合，控制過早發生泄漏失效。使用螺旋纏繞為封頭與筒身提供軸向約束，使得筒體外徑與封頭間形成臺階，提高筒身的環向強度。綜合考慮現有圓鋼筒尺寸確定結構中與內襯相關零部件信息，封頭為標準橢圓，壁厚考慮數控加工成型等因素確定。目前主要采用網格理論對復合材料壓力容器設計，金屬內襯不承擔載荷。研究提出纖維纏繞壓力容器圓筒壓強計算方法，結合筒身段網格理論計算過程確定碳纖維纏繞層設計參數。采用T700S-12 000-500 型無捻碳纖絲束拉伸模量為240GPa，保守的纖維發揮系數k 為0.4，取爆破設計壓力Pb=110Mpa，根據單個纏繞層壁厚計算得到螺旋纏繞層為8層。根據內襯尺寸估算復合材料層內外半徑為52.5，57.12mm。

1.2 結構制備工藝

結構制備包括封頭與筒體組裝、碳纖維層纏繞與固化過程，需要將密封圈元件通過錐形過渡裝置裝入封頭密封槽中，密封圈與筒體內壁面為過盈配合關系。內襯與纖維層材料膨脹系數相差較大，內襯容易與纖維層發生脫粘。需要在內襯外表面涂過渡層防止碳纖維與金屬件發生電耦腐蝕[1]。考慮筒體與兩端封頭在軸向相對自由，提出輔助成型工裝實現纏繞成型工藝，兩側異徑內螺紋螺母與內外螺紋螺母組成雙螺母防松系統，工裝在纏繞張力作用下，平衡纏繞張力產生扭矩T1=sina×F張力×D/2。夾持端提供扭矩為Ttotal=T1+T2，纏繞中筒體兩端承受相同扭矩，筒體與兩端封頭保持相對靜止。第一工藝填充筒體外徑與封頭外徑形成臺階，使纏繞后得到第一工藝層外徑與封頭外徑相同。第二工藝為實現封頭與筒體間軸向連續性，纏繞工藝層順序為{(±15)2/902/(±15)2/902]，實驗用SG-C17 環氧樹脂組合料由固化劑SG-C17B，促進劑EA1010 等組分按比例混合成，將容器置于烘箱按95℃/1.5h+135℃/3h+100℃/1hs固化制度固化。

2 COPV液壓實驗與有限元分析

2.1 COPV液壓試驗

實驗通過開發最高工作壓力為80Mpa 的NGBP-4 型電動柱塞泵爆破裝置進行，對復合材料壓力容器進行55Mpa，60MPa，70Mpa 液壓實驗，容器一端采用轉接頭與液壓實驗平臺相連，第三次加載液壓達到20Mpa附近時壓力-時間曲線偏離一二次，容器內壓力響應低于一二次，多次加載后呈現內壓響應曲線斜率降低現象。

新型結構取纖維發揮系數為0.4可滿足爆破設計壓力110Mpa的承載要求。通過水射流水刀切割獲得容器剖面觀察容器在超高壓工況下工藝層損傷情況，內壓下結構主要存在第二工藝層間分布損傷與筒身環向屈曲損傷，第一工藝層承受內壓力引起環向應力，第二工藝層承擔在兩端封頭產生軸向應力，工藝層間存在較高剪切應力，第二工藝層內分層損傷主要發生在螺旋與環向纏繞層間，位于筒體與風頭過渡處出現分層破壞，產生附加邊緣力矩，發生明顯的分層損傷[2]。

2.2 有限元分析

為研究結構失效模式及損傷演化過程，通過編寫VUMAT 引入復合材料三維漸進損傷模型，綜合考慮纖維壓縮與基體壓縮拉伸失效模式分析分層損傷情況。模型中內漸進損傷準則考慮面外應力對纖維基體損傷的影響。損傷產生時材料點剛度殘余線性退化模式，對材料點剛度折減，dTf纖維拉伸損傷狀態變量超過1 表示發生拉伸失效，單元失效應變可通過應變能釋放率臨界值Gf，T 獲得。圖1縱向拉伸機壓縮損傷演化過程。

圖1 縱向拉伸機壓縮損傷演化過程

為模擬材料層間相互作用采用內聚力模型模擬層間分層失效，閾值Fcoh=1滿足時膠層以粘結剛度線形退化方式表示損傷程度。建模難點是封頭部位，需增加封頭部位纖維層分段數量，分配封頭處每段每層纖維層材料主方向。將封頭部位纏繞層沿母線分段，纖維層封頭分為6段，計算模型將內襯封頭橢圓部分與對應纏繞層進行Tie 綁定[3]。第一二工藝層采用基于內聚力模型Cohesive Surface接觸。有限元模型邊界條件為剖面施加z方向對稱約束，一端施加內壓條件下產生等效軸向拉應力，以準靜態加載方式計算。內壓達到37.5Mpa時一二層工藝層發生分層損傷，工藝層分層損傷未引起結構失效，但結構整體剛度降低。載荷為105Mpa 時封頭過渡處螺旋纏繞層發生纖維拉伸損傷，局部剛度產生退化，第一工藝層內側最大應力2557MPa達到纖維拉伸強度[4]。載荷增至112.5Mpa筒身部分區域出現纖維層拉伸失效沿縱向擴展現象，SDV1=0.99時表示纖維發生彎曲拉伸失效。

3 結語

本文研究提出新型纖維纏繞復合材料壓力容器結構及制備工藝，設計爆破壓力110Mpa 新型COPV，新型COPV 具有內襯壁厚可設計性強，結構具有尺寸不受限制等優點。結合實驗結果內壓下結構第一二工藝層間較早出現分層損傷，封頭過渡處不連續效應引起附加彎矩和剪力，導致環向螺旋纏繞層間產生分層損傷。內壓卸載產生彈性收縮作用發生屈曲損傷。有限元分析顯示新型COPV主要損傷模式與實驗現象吻合，實現密封基礎上采用先進密封技術成為新型COPV的主要問題。