吳澤敏馬源

（大連理工大學化工機械學院)

玻-碳纖維復合材料氣瓶疲勞性能研究及優(yōu)化分析

吳澤敏*馬源

（大連理工大學化工機械學院)

混雜纖維復合材料具有單一增強纖維復合材料不具備的優(yōu)異性能。以100 L的CNG-2型氣瓶為例，將纖維混雜法技術(shù)應用于復合材料氣瓶，并采用有限元法對玻-碳纖維復合材料氣瓶疲勞性能進行研究及優(yōu)化。結(jié)果表明：在當量厚度比一定的基礎(chǔ)上，能使復合材料氣瓶疲勞性能和纖維利用率得到提高的最佳混雜比為2∶5，提高其爆破壓力的最佳混雜比為5∶8；通過優(yōu)化，氣瓶復合材料層的體積減少了30.3%，質(zhì)量減少了36.3%。

復合材料氣瓶 混雜纖維 疲勞性能 有限元 壓力容器

0 概述

混雜纖維復合材料是由兩種或兩種以上連續(xù)纖維增強同一種樹脂基體的復合材料。這種材料主要考慮了技術(shù)和經(jīng)濟兩方面的因素，通過加入斷裂韌性較高（或塑性較好）的纖維來增加結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能，延遲結(jié)構(gòu)的沖擊破壞；通過混入高模量的纖維來增加結(jié)構(gòu)的強度，提高疲勞性能[1]。傳統(tǒng)的纖維混雜法復合材料主要應用于航空航天、軍事等領(lǐng)域。隨著復合材料氣瓶在多個領(lǐng)域的廣泛應用，其安全性問題日益突出，因此考慮將纖維混雜法技術(shù)應用于復合材料氣瓶，以提高其氣瓶的綜合性能。

混雜纖維復合材料的性能與其組分性能、混雜方式、混雜比等因素有關(guān)。目前，研究較多的是增強纖維的混雜，即玻璃纖維、碳纖維和芳綸纖維之間的混雜[2]。玻璃纖維抗拉強度和彈性模量較低，但韌性較好；碳纖維彈性模量雖高，韌性卻不足。將碳纖維與玻璃纖維共同增強樹脂基體制成混雜復合材料，可使二者優(yōu)勢互補，既能保留單一增強纖維的優(yōu)點，又能達到單一增強纖維不能實現(xiàn)的強化效果，增加了材料的可設(shè)計性，實現(xiàn)了低成本復合材料的多功能化?；祀s纖維復合材料按組分材料的混雜方式主要有層內(nèi)混雜、層間混雜、夾芯混雜等。其中層間混雜有助于克服組分間由于模量不匹配而產(chǎn)生的層間剪切應力，減少界面破壞的因素，最有利于提高混雜纖維復合材料的強度和成型性能。通過研究不同增強纖維的性能，進行合理的混雜配比，可得到綜合性能最佳的復合材料氣瓶。目前，復合材料氣瓶已在國內(nèi)外得到了廣泛研究與應用。

Czigany T等[3]研究了碳-玻混雜纖維的性能，發(fā)現(xiàn)碳纖維中加入玻璃纖維后彎曲模量顯著增加，抗沖擊性能有較大提高，且價格大幅下降。Zuraida A等[4]通過對純碳纖、純玻纖及玻-碳混雜/環(huán)氧復合材料進行試驗和數(shù)值研究發(fā)現(xiàn)，混雜復合材料的強度受纖維纏繞次序影響較大，碳纖維在外層時的強度大于其在內(nèi)層時的強度。陳汝訓[5-7]根據(jù)固體火箭發(fā)動機實際的受載情況，利用不同纖維所具有的力學特性，給出了混雜纖維纏繞圓筒壁厚的計算公式以及纏繞層厚度比的確定方法，得到所需的強度、剛度和韌性的最佳配比，但該方法只適用于混雜纖維纏繞殼體的初步設(shè)計。徐光磊[8]針對單一玻璃纖維和玻-碳纖維混雜含內(nèi)襯發(fā)射筒進行了強度、剛度和抗沖擊等力學性能的理論、試驗和有限元模擬研究，結(jié)果表明，含內(nèi)襯玻-碳纖維混雜發(fā)射筒的抗彎剛度和爆破壓強均高于含內(nèi)襯純玻璃纖維發(fā)射筒，且玻-碳/環(huán)氧混雜復合材料的起始斷裂應變不是碳纖維復合材料的斷裂應變，而是其1.4倍，即玻-碳/環(huán)氧混雜復合材料的斷裂應變比單一碳纖維復合材料增加了約40%。

1 問題提出

復合材料氣瓶在實際工作時需要不斷地進行氣體充放，因此對其疲勞性能要求較高。碳纖維拉伸模量比玻璃纖維大得多，將兩種纖維進行混雜的復合材料氣瓶，可以降低工作時內(nèi)襯的應力幅值，充分發(fā)揮各層纖維的強度和利用率，提高氣瓶的疲勞性能。另外，為防止在高溫環(huán)境、嚴重著火等極端條件下事故的發(fā)生，混入適量的碳纖維還能提高復合材料氣瓶的爆破壓力[9]。對于玻-碳纖維混雜復合材料，在沿纖維方向拉伸時，一般是碳纖維先斷裂。若碳纖維的含量較高，不僅成本增加，在碳纖維斷裂的同時玻璃纖維也將全部斷裂，碳纖維的缺點無法克服，玻璃纖維的優(yōu)良性能也得不到發(fā)揮；若碳纖維的含量較低，在碳纖維斷裂后，玻璃纖維仍有承載能力，但需單獨承載直至全部斷裂。上述情況其結(jié)果皆為“各個擊破”，不利于混雜纖維復合材料強度性能的發(fā)揮。此外，復合材料氣瓶在滿足強度的情況下，氣瓶的質(zhì)量、纖維層的厚度也是影響氣瓶經(jīng)濟性的重要因素。纖維纏繞層并非越厚越好，太厚不僅會增加制造成本，且外層纖維的強度得不到充分發(fā)揮，造成材料浪費[10]。因此，在兩種增強纖維混雜時，選取合適的混雜比對獲得力學性能最優(yōu)和經(jīng)濟性合理的混雜纖維復合材料至關(guān)重要。

本文以100 L的CNG-2型氣瓶為例，運用有限元分析軟件ANSYS 10.0對玻璃纖維復合材料氣瓶與玻-碳纖維層間混雜復合材料氣瓶進行對比分析，研究提高氣瓶綜合性能的最佳材料配比，同時對氣瓶復合材料層的厚度進行優(yōu)化。

2 混雜復合材料氣瓶分析模型的建立

2.1 材料參數(shù)

本文所述的復合材料氣瓶其內(nèi)襯為GB 18248—2008氣瓶用無縫鋼管，材料為30CrMo，并采用淬火后回火處理的熱處理方式。玻、碳纖維分別選用Advantex 158B 1100Tex玻璃纖維（以下簡稱“玻纖”）和12K-T700碳纖維（以下簡稱“碳纖”），基體選用環(huán)氧樹脂。各材料性能參數(shù)見表1～表3。

表1 內(nèi)襯30CrMo材料性能參數(shù)

表2 玻-碳纖維材料性能參數(shù)

表3 玻-碳纖維/環(huán)氧樹脂材料性能參數(shù)

2.2 有限元模型及網(wǎng)格劃分

為保證數(shù)值計算求解精確，分析時內(nèi)襯層選用三維20節(jié)點Solid 95實體單元，復合材料層選用Shell 99殼單元，靠近內(nèi)襯為玻璃纖維，外層為碳纖維，兩種纖維交替鋪層。復合材料是一種各向異性材料，由于內(nèi)襯外表面的外法線方向直接影響著所生成的復合材料層纖維堆疊的方向，因此在建模和劃分網(wǎng)格過程中要注意內(nèi)襯外表面的外法線方向與復合材料層部位單元坐標方向的一致性。CNG-2型復合材料氣瓶為環(huán)向纖維纏繞氣瓶，可將復合材料層的幾何結(jié)構(gòu)看作是軸對稱結(jié)構(gòu)，因此該有限元模型可簡化為軸對稱模型。本文選取復合材料氣瓶的1/8結(jié)構(gòu)建立其有限元模型并加以分析，如圖1所示。

圖1 復合材料氣瓶1/8結(jié)構(gòu)的有限元模型及網(wǎng)格劃分

2.3 模型邊界條件

有限元模型的邊界條件是由復合材料氣瓶與載荷條件決定的。為與實際情況相符，在復合材料氣瓶的軸向剖面上施加對稱約束，瓶頸端部施加軸向位移約束，內(nèi)襯內(nèi)表面施加均布內(nèi)壓。氣瓶在出廠之前，一般經(jīng)過自緊、水壓兩個過程。進行分析時按照氣瓶實際的壓力采用多載荷步方式加載，加載過程如下：

自緊壓力→卸載→水壓試驗壓力→卸載→工作壓力→爆破壓力。

3 復合材料層混雜比優(yōu)化

3.1 纖維當量厚度比

由表2和表3可知，碳纖維沿纖維方向的模量是玻璃纖維的3倍左右，可認為相同厚度的1層碳纖維相當于2～3層玻璃纖維的綜合性能，也可稱之為“當量厚度比”[9]，用n表示。文中通過將4層碳纖維按一定當量厚度比，以層間混雜的方式混入玻璃纖維中，對復合材料氣瓶模型進行不同工況的有限元分析，以確定較為合理的當量厚度比值。復合材料氣瓶在不同當量厚度比下的計算結(jié)果如表4所示。

由表4可知，除爆破壓力外，其他工況條件下混雜后的復合材料氣瓶的應力水平與原始氣瓶相當。在爆破壓力下，當量厚度比大于2.5時，復合材料氣瓶內(nèi)襯Mises應力和玻璃纖維環(huán)向應力均高于原始氣瓶，且碳纖維環(huán)向應力遠大于爆破實測值2486 MPa，未起到優(yōu)化的作用；當量厚度比小于2.5時，玻璃纖維環(huán)向應力遠小于原始氣瓶玻璃纖維環(huán)向應力，碳纖維環(huán)向應力也遠小于其爆破實測值，纖維未得到有效利用；在當量厚度比為2.5時，各工況條件下的應力水平最接近原始氣瓶，滿足要求且符合優(yōu)化的目的。因此，碳-玻纖維的當量厚度比取2.5。

表4 不同當量厚度比的復合材料氣瓶在各工況條件下的應力值（MPa）

3.2 最優(yōu)混雜比

在確定當量厚度比為2.5的情況下，設(shè)置9組純玻纖、玻-碳纖維層間混雜以及純碳纖纏繞復合材料氣瓶進行有限元數(shù)值分析，在碳纖維層數(shù)增加的同時，依次減少玻璃纖維層數(shù)。混雜比分組如表5所示，不同混雜比的復合材料氣瓶在各工況下的應力變化如圖2所示。

表5 碳-玻纖維混雜比分組

由圖2(a)～(c)可知，隨混雜比增大，氣瓶在自緊、水壓試驗、工作壓力下內(nèi)襯Mises應力和纖維環(huán)向應力均呈下降趨勢。其主要原因是高模量、高強度碳纖維的加入，承擔了部分載荷，在一定程度上降低了內(nèi)襯的應力幅值，提高了氣瓶的疲勞性能。

由圖2(d)可知，隨混雜比增大，爆破壓力下氣瓶內(nèi)襯Mises應力和玻璃纖維環(huán)向應力變化不大，且內(nèi)襯始終接近其材料的強度極限880 MPa，因此需根據(jù)碳纖維的應力狀態(tài)來確定最優(yōu)混雜比。當混雜比小于2∶5時，碳纖維環(huán)向應力大于其爆破實測值2486 MPa，即在達到爆破壓力前已發(fā)生斷裂；當混雜比大于2∶5時，碳纖維環(huán)向應力遠小于2486 MPa，需繼續(xù)提高壓力才能使碳纖維發(fā)生斷裂；而當混雜比為2:5時，碳纖維環(huán)向應力接近爆破實測值，纖維斷裂的同時內(nèi)襯發(fā)生爆破，滿足要求。因此，提高復合材料氣瓶疲勞性能和經(jīng)濟性能的最優(yōu)混雜比為2∶5。

圖2 不同工況條件下復合材料氣瓶應力變化曲線

混雜前后復合材料氣瓶在水壓試驗壓力下內(nèi)襯層進入塑性部分的Mises應力分布如圖3所示。圖3中灰色部分表示內(nèi)襯處于彈性應力狀態(tài)。

由圖3可知，水壓試驗壓力下，混雜前復合材料氣瓶內(nèi)襯部分筒體已進入塑性應力狀態(tài)，進行混雜優(yōu)化后，復合材料氣瓶內(nèi)襯全部處于彈性狀態(tài)，其應力狀態(tài)得到一定改善。這進一步說明混雜法能有效提高復合材料氣瓶的承載能力。

另外，通過復合材料層纖維混雜處理，氣瓶復合材料層的體積和質(zhì)量有所降低，其體積由4247 cm3降至2961 cm3，減少了30.3%；質(zhì)量由14.6 kg降至9.3 kg，降低了36.3%。

圖3 混雜前后水壓試驗壓力下內(nèi)襯塑性部分Mises應力

4 結(jié)論

利用ANSYS軟件對CNG-2型車用壓縮天然氣鋼質(zhì)內(nèi)膽環(huán)向纏繞氣瓶疲勞性能進行研究及優(yōu)化分析，在提出“當量厚度比”的基礎(chǔ)上，研究復合材料氣瓶綜合性能較高的最佳混雜比，得到以下結(jié)論：

（1）在各工況條件下混雜復合材料氣瓶內(nèi)襯Mises應力和纖維環(huán)向應力較原始氣瓶均有所下降；考慮到纖維的極限應力，在當量厚度比為2.5時，各應力水平與原始氣瓶最為接近。

（2）在當量厚度比一定的前提下，混雜比為2∶5時，復合材料氣瓶的疲勞性能和纖維利用率達到最優(yōu)；若考慮提高氣瓶的爆破壓力，混雜比為5∶8時最優(yōu)。

（3）經(jīng)混雜優(yōu)化，氣瓶復合材料層體積減少了30.3 %，質(zhì)量降低了36.3%，在提高氣瓶應力水平的同時實現(xiàn)了復合材料層厚度的優(yōu)化。

[1]John W Weeton,Dean M Peters，et al.Engineers'guide to composite materials[M].American Society for Metals, 1987.

[2]樊萍，晏雄.混雜纖維復合材料的研究進展[J].紡織科技進展，2008（1）：20-23.

[3]Czigany T.Special manufacturing and characteristics of basalt fiber-reinforced hybrid polypropylence composites: Mechanical properties and acoustic emission study[J]. Composites Science and Technology,2006，66(5)：321.

[4]Zuraida A,Khalid A，Ismail A F.Performance of hybrid filament wound composite tubes subjected to quasi static indentation[J].Materials and Design,2007,28(1)：71-77.

[5]陳汝訓.混雜纖維纏繞殼體設(shè)計[J].固體火箭技術(shù), 2001(3):10-13.

[6]陳汝訓.混雜纖維纏繞殼體結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計[J].強度與環(huán)境，1999(3):11-19.

[7]陳汝訓.固體火箭發(fā)動機混雜纖維纏繞殼體設(shè)計分析[J].宇航學報，2000，21(4)：129-133.

[8]徐光磊.含內(nèi)襯纖維復合材料發(fā)射筒力學性能研究[D].南京：南京理工大學，2013.

[9]謝志剛，張效迅，盧黎明.環(huán)向纏繞混雜碳/玻纖維復合材料氣瓶最優(yōu)混雜比有限元分析[J].上海工程技術(shù)大學學報，2011，25(1)：304-308.

[10]徐君臣，銀建中.纖維纏繞復合材料氣瓶研究進展[J].應用科技，2012，39(4)：64-71.

乙烯裂解爐模塊化技術(shù)通過鑒定

2015年3月10日，中石化集團公司工程建設(shè)有限公司研發(fā)的乙烯裂解爐模塊化技術(shù)，通過中國石化集團公司重大辦組織的專家鑒定。

鑒定認為，該技術(shù)創(chuàng)新開發(fā)了輻射段鋼結(jié)構(gòu)模塊形式和輻射盤管模塊安裝方法，既保證設(shè)備安裝質(zhì)量，又大幅縮短施工周期，且屬國內(nèi)首創(chuàng)，達到國際先進水平。

該技術(shù)于2010年列入中國石化重大技術(shù)裝備國產(chǎn)化研制項目，先后應用在馬來西亞Titan項目、福建煉化脫瓶頸項目、揚子石化改造項目，形成了自有的裂解爐模塊化設(shè)計、制造和安裝的成套技術(shù)，目前已獲得5項國家專利。（禾火）

Research and Optimization Analysis on Fatigue Properties of Glass-Carbon Fiber Composite Cylinder

Wu Zemin Ma Yuan

Hybrid fiber composite has superior properties than single fiber reinforced composite.Taking CNG-2 cylinder(100 L)as an example,this paper applied the fiber mixed method into the composite gas cylinder,then studied and optimized the fatigue properties of glass-carbon fiber composite cylinder by FEM.The results show that in certain equivalent thickness ratio,the optimal hybrid ratio was 2∶5 to improve the fatigue strength and fiber utilization of the composite cylinder,and it was 5∶8 to enhance the burst pressure.Through optimization,the volume of the composite layer of gas cylinder decreased by 30.3%and the mass reduced by 36.3%.

Composite gas cylinder;Hybrid fiber;Fatigue property;FEM;Pressure vessel

TQ 053.2

2014-12-31）

*吳澤敏，女，1988年生，碩士研究生。大連市，116023。