吳澤敏 宋利濱 馬 源

(1.大連理工大學化工機械學院；2.中國特種設備檢測研究院)

復合材料氣瓶作為一種氣體儲罐，以其比強度和比剛度高、抗疲勞性能好及質量輕等諸多優(yōu)點，在航空航天、交通運輸、化工及醫(yī)療等領域得到廣泛的應用[1]。復合材料氣瓶工作時需要不斷地充放氣體，因此對其疲勞性能要求較高。由于復合材料氣瓶內(nèi)襯和復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合材料氣瓶在零壓時內(nèi)襯處于受壓狀態(tài)而復合材料層處于受拉狀態(tài)，從而降低工作時內(nèi)襯的受力[2]，充分發(fā)揮纖維的高強度性能并提高復合材料氣瓶的疲勞性能。

目前，國內(nèi)外對全纏繞復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標準[3]中的相關要求完成的，該標準僅適用于工作壓力34.5MPa以下、容積90.7L以下的全纏繞復合材料氣瓶。隨著復合材料氣瓶的發(fā)展，低壓力、低容量的復合材料氣瓶已無法滿足相應的工藝要求，對于工作壓力高于34.5MPa全纏繞復合材料氣瓶自緊壓力的優(yōu)化方法鮮有報導。雖然文獻[4，5]中分別對工作壓力為35.0、40.0MPa的全纏繞復合材料氣瓶自緊壓力進行了優(yōu)化，但其均僅是參照DOT-CFFC標準來完成的，因此得到的最佳自緊壓力值的準確性有待考察。

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

1 全纏繞復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合材料氣瓶內(nèi)襯層選用鋁合金6061-T6，復合材料層纖維選用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

屈服強度 296MPa

抗拉強度 330MPa

12K-T700碳纖維材料性能參數(shù)如下：

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

分析時為與實際情況相符，在復合材料氣瓶的軸向剖面上施加對稱約束，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)達到屈服而產(chǎn)生塑性變形，當卸掉自緊壓力后，內(nèi)壁處產(chǎn)生殘余壓應力。其目的是使容器在工作壓力下，容器內(nèi)、外壁的拉應力能夠相近些，以較充分地利用材料[7]。纖維纏繞復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性能的巨大差異，當內(nèi)膽已經(jīng)屈服時，纖維還處于低應力狀態(tài)，纖維優(yōu)良的高強度性能得不到充分發(fā)揮。復合材料氣瓶面臨的這個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，工作壓力下復合材料氣瓶內(nèi)襯層進入塑性狀態(tài)的程度，來進一步說明自緊處理的必要性。

自緊前后工作壓力下內(nèi)襯層進入塑性部分的Mises應力分布和復合材料層的Mises應力分布如圖2、3所示?？梢妶D2a中內(nèi)襯部分筒體已經(jīng)進入塑性應力狀態(tài)，經(jīng)過自緊處理后，圖2b中內(nèi)襯整體仍處于彈性應力狀態(tài)。

由圖2、3可知，工作壓力下，未自緊處理的復合材料氣瓶內(nèi)襯層部分筒體已進入塑性應力狀態(tài)，復合材料層應力強度較低，遠低于碳纖維的抗拉強度；經(jīng)自緊處理后，復合材料氣瓶內(nèi)襯層全部處于彈性狀態(tài)，且復合材料層的應力強度有顯著提高，說明自緊處理能有效提高復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應力

圖3 自緊前后工作壓力下復合材料層Mises應力

3 自緊壓力優(yōu)化

由自緊原理可知，自緊壓力要高于復合材料氣瓶的水壓試驗壓力，故選取其水壓試驗壓力作為自緊壓力的初值，分析時通過不斷提高自緊壓力并觀察經(jīng)自緊壓力處理后的復合材料氣瓶內(nèi)襯層和復合材料層上的應力強度分布是否滿足DOT和ISO標準中的相關要求，來進一步確定其最佳自緊壓力。由于DOT和ISO標準中均有對纖維應力比的限制，但其纖維應力比的計算方法不同，為了區(qū)別兩標準中的纖維應力比，筆者將兩標準中的纖維應力比分別簡稱為DOT纖維應力比和ISO纖維應力比，DOT和ISO兩標準中對復合材料氣瓶應力的相關要求如下：

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

b. ISO標準。復合材料氣瓶的纖維應力比(最小爆破壓力與2/3水壓試驗壓力下纖維層應力的比值)應不低于2.4。

零壓和工作壓力下內(nèi)襯的最大Mises應力隨自緊壓力的變化曲線如圖4所示?？梢?，零壓下內(nèi)襯上最大Mises應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應力隨著自緊壓力的升高而降低。其主要是因為復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)襯的殘余壓應力也不斷變大，復合材料氣瓶工作時在內(nèi)壓作用下產(chǎn)生的應

圖4 最大Mises應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應力不斷增大，工作壓力下內(nèi)襯層的最大Mises應力不斷降低的趨勢。根據(jù)這一分析結果和DOT標準可初步判斷出自緊壓力的取值范圍在62.4～67.8MPa之間。

筆者為了更準確地找出自緊壓力的取值范圍，根據(jù)DOT和ISO標準中關于復合材料層纖維應力比的要求作進一步分析。纖維應力比隨自緊壓力的變化曲線如圖5所示。

圖5 纖維應力比隨自緊壓力變化曲線

由圖5可知，DOT纖維應力比和ISO纖維應力比均隨著自緊壓力的升高而降低，同時滿足兩標準中纖維應力比要求的自緊壓力取值范圍應不超過64.4MPa。

結合圖4、5的分析，最終確定出全纏繞復合材料氣瓶的自緊壓力取值在62.4～64.4MPa之間。綜合考慮復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，工作壓力下復合材料氣瓶內(nèi)襯層和復合材料層的Mises應力如圖6所示。

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

表1 自緊前后氣瓶內(nèi)襯和復合材料層的最大Mises應力

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

4 結論

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

4.2利用DOT-CFFC和ISO-11119兩個標準對35.0MPa全纏繞復合材料氣瓶進行自緊壓力優(yōu)化。結果表明當自緊壓力為64.4MPa時，全纏繞復合材料氣瓶的性能可達到最佳狀態(tài)。

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

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