郭巍，黃浩，苑大超，周天平，談興旺

（1.武漢理工大學，現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點實驗室， 武漢 430070； 2.武漢理工大學， 汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，武漢 430070； 3.武漢理工大學，湖北省新能源與智能網(wǎng)聯(lián)車工程技術(shù)研究中心，武漢 430070； 4.武漢理工大學先進材料制造裝備與技術(shù)研究院，武漢 430070； 5.湖北雙鷗汽車飾件有限公司， 武漢 430070）

儲氣罐作為可承受內(nèi)部壓力載荷的結(jié)構(gòu)之一，在汽車行業(yè)有著廣泛的應用[1]。目前大量使用的儲氣罐仍然主要由鋼或鋁等金屬材料來生產(chǎn)制造，其有著質(zhì)量大、不耐腐蝕、易滲漏等缺點，無法滿足當前對于汽車零部件輕量化、高結(jié)構(gòu)效率的設計要求[2]。因此，新型的纖維增強復合材料（FRP）汽車儲氣罐具有質(zhì)量更輕、耐腐蝕以及可靠性更好等優(yōu)點，成為當前行業(yè)的發(fā)展趨勢之一[3]。

對于如何最優(yōu)地選取FRP 儲氣罐結(jié)構(gòu)設計相關(guān)參數(shù)，國內(nèi)外學者在對各構(gòu)型儲氣罐的纖維纏繞方面進行了相關(guān)研究。M. W. K. Rosenow 等[4]通過對纖維纏繞角在15°至85°中取不同值時，薄壁復合材料壓力容器的應力應變分布變化情況進行研究，得到軸向應力與環(huán)向應力之比為0.5 的圓筒狀容器的最佳纏繞角為55°。T. Messager 等[5]對復合材料圓柱殼的鋪層方式進行優(yōu)化，得到最優(yōu)的纖維鋪層方式。J. S. Park 等[6]研究了不同纖維纏繞角對復合材料壓力容器的應力分布情況的影響。

但是，目前針對FRP 儲氣罐的研究依然不夠全面，較少考慮到多種纖維多層纏繞對力學性能的復合影響。筆者以商用車所使用的FRP 儲氣罐為研究對象對其結(jié)構(gòu)進行分析，建立儲氣罐的靜力分析有限元模型。通過改變儲氣罐纏繞參數(shù)，探討其對儲氣罐力學性能的影響規(guī)律，從而開發(fā)出更輕質(zhì)、環(huán)保、可靠的儲氣罐產(chǎn)品，助力輕量化儲氣罐在汽車行業(yè)的推廣應用，實現(xiàn)汽車的節(jié)能減排[7]。

1 爆破試驗分析

根據(jù)GB／T 15385-2011《氣瓶水壓爆破試驗方法》進行物理試驗，該試驗以水作為加壓介質(zhì)，逐步增大受試瓶的壓力，直至受試瓶爆破。選取不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的FPR 汽車儲氣罐，其爆破后的斷口特征和瓶體破裂形態(tài)也各不相同。

圖1 為水壓爆破試驗結(jié)果。

圖1 水壓爆破試驗結(jié)果

由圖1 可得，筒身的破壞形式與纏繞角息息相關(guān)，破壞斷裂路徑幾乎沿著纖維的纏繞方向而生成。筒身兩端與端蓋連接處為結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，在該處容易存在應力集中現(xiàn)象，并可能造成該處筒身結(jié)構(gòu)的斷裂。當FRP 汽車儲氣罐的筒身與端蓋粘接處的接頭沒有得到合理的設計或是膠接工藝有缺陷時，會使得該位置發(fā)生拉脫。為避免上述現(xiàn)象發(fā)生，就有必要進行相關(guān)分析試驗，以優(yōu)化FRP 儲氣罐的結(jié)構(gòu)參數(shù)，提高力學性能?？紤]到相關(guān)試驗樣本數(shù)量多、工作量大，將采用有限元仿真的方法來對問題展開研究。

2 試驗設計

2.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與材料

圖2 為所設計的FRP 汽車儲氣罐結(jié)構(gòu)，其主要由中部的筒身段及兩側(cè)的端蓋構(gòu)成。筒身由纏繞的纖維與樹脂基體復合成型，兩側(cè)為由短玻纖與熱塑性基體經(jīng)模壓成型得到的端蓋。端蓋內(nèi)側(cè)布置筋條以起到對端蓋進行增強的作用，為滿足儲氣罐的功能要求還需布置三個進排氣口，筒身與端蓋經(jīng)樹脂粘合連接以保證儲氣罐的氣密性。該款儲氣罐主要用于商用車的制動、空氣懸架以及其它需要壓縮空氣的場合，其工作壓力設計為1 MPa 左右，爆破壓力設計為5 MPa，安全系數(shù)為5，儲氣罐容積為55 L。儲氣罐的筒身段由兩種纖維先后纏繞而成，即內(nèi)襯的玻璃纖維和外部的碳纖維。對于玻纖纏繞層，選取E-玻璃纖維（E-Galss)，基體選取ARALDITE 公司的LY556 型號樹脂。LY556／E-Glass 復合材料相關(guān)材料參數(shù)見表1[8]。

圖2 FRP 汽車儲氣罐結(jié)構(gòu)示意圖

表1 LY556／E-Glass 單向復合材料性能參數(shù)

對于碳纖纏繞層，選取Hercules 公司的AS4 碳纖維，基體選取為3501-6 環(huán)氧樹脂。AS4／3501-6單向帶的力學性能見表2。

端蓋為片狀模塑料(SMC)復合材料，SMC 復合材料的相關(guān)性能見表3。

表2 AS4／3501-6 單向復合材料性能參數(shù)

表3 端蓋SMC 復合材料性能參數(shù)

2.2 有限元模型

筆者在有限元分析軟件ABAQUS 中建立如圖3 所示的有限元模型，有限元模型中結(jié)構(gòu)的相關(guān)尺寸按照實際的尺寸進行建模。最后劃分完成的網(wǎng)格共有C3D8R、COH3D8、C3D4 等單元268 114 個，節(jié)點252 498 個，包含5 層碳纖纏繞層以及5 層玻纖纏繞層。對于纖維纏繞層部分，需重新定義掃描路徑使其與纖維層堆疊方向一致。

圖3 FRP 汽車儲氣罐有限元模型

2.3 試驗方案

(1)玻纖纏繞參數(shù)的影響。

FRP 汽車儲氣罐的筒身先用玻璃纖維進行纏繞。選取三個在玻纖纏繞層中對結(jié)構(gòu)力學性能影響較顯著的因素，包括纖維纏繞角、纖維纏繞層數(shù)、纏繞纖維單層厚度等[9]，相關(guān)設置見表4。

表4 玻纖纏繞參數(shù)

(2)碳纖纏繞參數(shù)的影響。

在筒身外部再纏繞碳纖維時，選取纏繞層的層數(shù)、纏繞角度、纏繞長度三個因素，探究其對筒身結(jié)構(gòu)強度的影響，相關(guān)參數(shù)設置見表5。

表5 碳纖纏繞參數(shù)

(3) 膠接接頭參數(shù)的影響。

選取膠接處粘合劑的厚度以及搭接長度為研究對象，探討其對結(jié)構(gòu)以及膠接接頭力學性能的影響[10]，相關(guān)參數(shù)設置見表6。

表6 膠接接頭參數(shù)

3 結(jié)果與分析

3.1 玻纖纏繞參數(shù)的影響

(1) 玻纖纏繞層數(shù)。

圖4 為玻纖纏繞層相關(guān)性能參數(shù)隨層數(shù)變化情況。由圖4 可知，玻纖纏繞層的位移、應變、軸向應力和環(huán)向應力均隨著纏繞層數(shù)的增加而下降。在纏繞層數(shù)較少時，玻纖纏繞層的應變和位移下降較快，當纏繞層數(shù)達到5 層時，下降速率逐漸趨緩，此時的軸向應力為37.2 MPa，小于復合材料基體拉伸失效應力40 MPa。

圖4 玻纖纏繞層相關(guān)性能參數(shù)隨層數(shù)變化情況

根據(jù)儲氣罐結(jié)構(gòu)的應力分布情況，結(jié)構(gòu)的最大應力主要分布于筒身靠近端蓋的兩側(cè)，在筒身與端蓋連接處也有應力集中現(xiàn)象出現(xiàn)。筒身中部的應力較端蓋大，是整個儲氣罐的薄弱環(huán)節(jié)。筒身中部所承受的環(huán)向應力較兩端大，而兩端由于需要與端蓋進行粘接，軸向應力相對較大。

(2) 玻纖纏繞角度。

纖維纏繞按角度可分為：螺旋纏繞、縱向纏繞和環(huán)向纏繞[11]。圖5 為玻纖纏繞層相關(guān)性能參數(shù)隨纏繞角變化情況。由圖5 可得，當纏繞角小于45°時，纏繞角的變化對筒身玻纖纏繞層的應變影響較小；當纏繞角大于45°后，纏繞層的應變隨著角度的增加而降低。對于纏繞層的位移，由于纖維環(huán)向纏繞時其軸向強度低而引起較大的軸向位移，環(huán)向鋪放時的位移大于縱向鋪放。纖維在環(huán)向纏繞時環(huán)向應力較大，在縱向鋪放時軸向應力較大。根據(jù)玻纖纏繞層的應力分布情況，縱向鋪放時其中部的環(huán)向應力較大，兩側(cè)由于端蓋唇口分擔部分載荷，環(huán)向應力相對較小；環(huán)向鋪放時其環(huán)向應力的分布較縱向鋪放均勻，可以減小應力集中程度。綜合起來看，單一的環(huán)向鋪放、縱向鋪放均不是理想的纏繞形式，較優(yōu)的纖維纏繞結(jié)構(gòu)應該是相互交織的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

圖5 纏繞層相關(guān)性能參數(shù)隨纏繞角變化情況

(3)玻纖單層厚度。

圖6 為纖維纏繞層相關(guān)性能參數(shù)隨單層厚度變化情況。由圖6 可得，筒身纖維纏繞層的應變值、軸向應力和環(huán)向應力均隨著單層纏繞纖維厚度的增加而下降，下降速率由快漸慢；且在同一層厚下，筒身的環(huán)向應力總大于軸向應力。但隨著單層厚度的增加，儲氣罐的質(zhì)量也會隨之增加。

圖6 相關(guān)性能參數(shù)隨單層厚度變化情況

通過有限元分析，在單層厚度為0.4 mm 時，玻纖纏繞層在1 MPa 內(nèi)部壓力加載下，在Z. Hashin[12]失效準則下基體和纖維的損傷主要是拉伸損傷，二者均不承受壓縮載荷或壓縮載荷極小?；w的拉伸損傷主要分布于筒身的中部，而纖維的拉伸損傷則主要在筒身與端蓋的過渡處。

3.2 碳纖纏繞參數(shù)的影響

(1)碳纖纏繞層數(shù)。

圖7 為碳纖纏繞層相關(guān)性能參數(shù)隨纏繞層數(shù)變化情況。

由圖7 可得，假定玻纖纏繞層的層數(shù)固定為5層時，無論碳纖纏繞層的層數(shù)如何變化，內(nèi)部玻纖纏繞層的應變總稍大于外部碳纖纏繞層。筒身外部碳纖纏繞層的軸向應力和環(huán)向應力隨纏繞層數(shù)增加而下降，下降速率由快漸趨緩，且軸向應力總小于環(huán)向應力。

儲氣罐的變形主要集中在筒身與端蓋的過渡區(qū)域。對于儲氣罐整體而言，其變形主要是沿軸向和徑向的漲開。筒身外部碳纖纏繞層的軸向應力分布較均勻，玻纖纏繞層的軸向應力主要分布于兩側(cè)。

(2)碳纖纏繞角度。

圖8 為碳纖纏繞相關(guān)性能參數(shù)隨纏繞角度變化情況。

圖7 相關(guān)性能參數(shù)隨纏繞層數(shù)變化情況

圖8 碳纖纏繞層相關(guān)性能參數(shù)隨纏繞角度變化情況

由圖8 可知，端蓋的應變隨碳纖纏繞角的增大呈先增大后減小的趨勢，其中以纏繞角65°時為端蓋應變的峰值。當碳纖纏繞角小于35°時，纏繞角的變化對筒身的應變影響較?。划斃p繞角大于35°時，筒身內(nèi)外纏繞層的應變均以較快速度下降。對于軸向應力，碳纖維為縱向鋪放時的應力大于環(huán)向纏繞。對于環(huán)向應力，當纖維為螺旋纏繞時較大，而環(huán)向纏繞時較??；在65°左右發(fā)生較大的轉(zhuǎn)折，這表明只有碳纖纏繞角接近于環(huán)向纏繞時，筒身的環(huán)向強度才會得到較好的加強。

根據(jù)碳纖纏繞層的環(huán)向、軸向應力分布情況，碳纖維縱向鋪放時其環(huán)向強度很弱，結(jié)構(gòu)的環(huán)向應力大；而碳纖維環(huán)向纏繞時其軸向強度弱，結(jié)構(gòu)的軸向應力大。碳纖維環(huán)向纏繞時，在纏繞層的兩側(cè)有環(huán)向應力集中現(xiàn)象。綜合來看，筒身碳纖纏繞層較理想的纏繞角亦是相互交織的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。

(3)碳纖纏繞長度。

圖9 為碳纖纏繞層相關(guān)性能參數(shù)隨纏繞長度變化情況。

圖9 碳纖纏繞層相關(guān)性能參數(shù)隨纏繞長度變化情況

通常情況下，外層碳纖纏繞長度應大于內(nèi)層玻纖，多余部分用于與端蓋搭接。由圖9 可得，筒身外部碳纖纏繞長度的變化對筒身的軸向應力影響不大。在碳纖纏繞層纏繞長度小于630 mm 時，端蓋的應力、膠層剛度退化因子和膠層應變均隨著碳纖纏繞長度的增加而下降；當纏繞長度大于630 mm后，纏繞長度的增加對其再無影響。這表明碳纖纏繞層與端蓋的搭接增強了筒身與端蓋之間的粘接強度。

圖10 為筒身內(nèi)外部纖維與端蓋粘接界面?？梢钥闯?，其粘接界面較光滑。

圖10 筒身內(nèi)外部纖維與端蓋粘接界面

3.3 膠接接頭參數(shù)的影響

(1)膠層厚度。

圖11 為膠接接頭相關(guān)性能參數(shù)隨膠層厚度變化情況。由圖11 可知，膠層單元的損傷因子[13]、損傷單元數(shù)和膠層應力均隨膠層厚度的增加而下降，這表明膠層厚度的增加可以有效地減緩膠層損傷的出現(xiàn)。然而，由于膠層厚度的增加會使得膠層剛度的下降，膠層位移隨著膠層厚度的增加略有上升的趨勢，從而在同一加載下更易于變形。因此，膠層厚度不宜布置得過大[14]。

圖11 膠接接頭相關(guān)性能參數(shù)隨膠層厚度變化情況

(2) 粘接長度。

圖12 為膠接接頭相關(guān)性能參數(shù)隨粘接長度變化情況。由圖12 可得，當粘接長度較小時，膠層損傷單元的比例隨著粘接長度的增加而迅速下降；當粘接長度大于30 mm 后，粘接長度的變化對損傷單元的比例影響較?。划斦辰娱L度達到40 mm 后，損傷因子、膠層應力均開始趨于較小的穩(wěn)定值。膠層位移則是隨著粘接長度的增加而下降，這表明在同一膠層厚度下，隨著粘接長度的增加膠層剛度有所增加。但是，膠層的粘接長度也并非越大越好，因為過大的粘接長度會引起被粘接結(jié)構(gòu)的過度改變。

圖12 膠接接頭相關(guān)性能參數(shù)隨粘接長度變化情況

圖13 為25，55 mm 膠層單元損傷圖。

圖13 膠層單元損傷

由圖13 可知，無論粘接長度為最小的25 mm或最長的55 mm，損傷出現(xiàn)的位置基本都是類似的，由于端蓋內(nèi)部筋條周期性的設置而導致在遠離端蓋一側(cè)的膠層沿圓周呈現(xiàn)周期性的損傷趨勢。另外，25 mm 粘接長度的膠層單元損傷數(shù)量以及損傷因子明顯大于55 mm 粘接長度的膠層單元。

4 結(jié)論

筒身的玻璃纖維以及碳纖維纏繞層數(shù)，不宜布置得過多或過少，推薦布置為4 到6 層左右；而纖維的纏繞角不宜采用單一的環(huán)向鋪放、縱向鋪放，應以不同的纏繞次序交叉纏繞較佳。膠接接頭中膠層厚度增加會減緩膠層損傷，但過厚會使得膠層的剛度下降；膠接長度不宜小于30 mm，推薦設置為40 mm 左右。