UHMWPE纤维缠绕铝内衬复合材料气瓶爆破压力预测

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基于ACP的碳纤维复合材料气瓶渐进损伤与爆破压力预测

基于ACP的碳纤维复合材料气瓶渐进损伤与爆破压力预测窦丹阳郑传祥林娇陈建阳(浙江大学化工机械研究所)摘要碳纤维复合材料气瓶失效与爆破压力预测技术呈现出越来越多样化的趋势°基于ANSYS ACP 建立了T800碳纤维复合材料气瓶理论模型，采用Camanho P P提出的刚度退化方案，对2.4L复合材料气瓶进行了渐进失效和爆破压力的预测，详细阐述了模型的构建和结构损伤，重点分析了含基体开裂、纤维断裂和内胆破裂缺陷下不同缠绕层的气瓶应力分布和损伤过程。

最后通过水压爆破试验得到实验结果,该结果与理论值吻合较好。

关键词复合材料气瓶碳纤维ANSYS ACP渐进失效中图分类号TQ050.4+3文献标识码A文章编号0254-6094(2020)05-0631-08复合材料碳纤维增强气瓶有许多优点，被广泛应用在航空航天、化学工程、车辆工业及生物工程等领域［1］%现今,复合材料气瓶技术发展呈现出越来越多样化的趋势,这也和我国经济快速增长的国情密切相关。

随着人口总量和工业生产的不断增长,能源供需短缺和环境保护问题亟需改善。

碳纤维复合材料气瓶是国家“十三五”规划部署在新材料领域的项目，其科学研究领域众多。

复合材料气瓶爆破失效主要是由纤维失效引起的连锁反应，在出现初次失效点后,失效处纤维刚度软化，应力在其他纤维层重新分配，致使新的纤维层发生失效，直到结构失效。

因此，气瓶的极限强度是衡量一个气瓶质量优劣的重要指标。

但由于各项异性的材料的复杂力学特性,至今还不能用完全准确的方法预测％陈营利用APDL对复合材料气瓶自紧和残余预应力影响进行了探究［2］%Wu Q G等利用Hashin 失效准则模拟气瓶渐进失效，发现自紧力对气瓶平均应力有显著影响［3］%施建伟利用ABAQUS基于连续介质损伤力学模型对复合材料层合板失效过程力学变化进行了分析⑷。

王宗鑫和赵建平利用ABAQUS研究处于不同工况的气瓶等效塑性应变值，得出承载的压力小于自紧力时该值相等的结论［5］。

纤维缠绕复合材料气瓶研究进展

第39卷第4期应用科技V ol.39, No.4 2012年8月Applied Science and Technology Aug. 2012 doi:10.3969/j.issn.1009-671X.2012.04.005纤维缠绕复合材料气瓶研究进展徐君臣, 银建中连理工大学化工机械学院，辽宁大连116024摘要：纤维缠绕复合材料气瓶具有高比强度和比模量、抗疲劳、抗腐蚀等优点，已经成为研究的焦点. 文中分析了纤维缠绕复合材料气瓶在国内外的研究进展，并进行了归纳总结，主要内容包括：纤维缠绕复合材料气瓶的国内外标准、制造过程中应考虑的主要因素、失效准则、失效模式以及优化设计. 通过对比发现，Tsai-Wu失效准则预测的失效压力与实验值最接近. 提出了一些预防复合材料气瓶失效的措施，对气瓶的安全使用有一定的借鉴作用. 最后指出了未来研究的重点.关键词：复合材料气瓶；纤维缠绕；失效准则；失效模式；优化设计中图分类号：TQ 053.2文献标志码：A文章编号：1009-671X（2012）04-0004-09Progress in Filament-wound Composite gas CylindersXU Jun-Chen, YIN Jian-ZhongSchool of Chemical Machinery, Dalian University of Technology, Dalian 116024, ChinaAbstract:Filament-wound composite gas cylinders have become a research focus because they exhibit many advantages such as high strength-density and stiffness-density ratios, and excellent resistance to fatigue and corrosion. This review summarizes the progress in filament-wound composite gas cylinders at home and abroad. The domestic and abroad standards, consideration the main factors in manufacturing process, failure criteria, failure mode and optimal design of filament-wound composite gas cylinders are discussed here. By comparison, it was found that the Tsai-Wu failure criterion leads to most accurate failure pressure among all failure criteria. Some measures are put forward to prevent the failure of composite gas cylinders and it is very important to improve composite gas cylinders safety. The future research is summarized finally.Keywords:composite gas cylinders; filament wound; failure criterion; failure mode; optimal design随着科学技术的发展，复合材料已广泛应用在航空、航天、能源、化工、海洋工程、生物医药、武器工业等领域. 在日益崇尚环境友好的今天，燃油汽车的使用导致能源枯竭和城市环境污染已引起全球的关注. 各国政府正在采取各种措施来解决这一问题，措施之一就是使用清洁燃料，如压缩天然气（compressed nature gas，CNG）和H2等，代替柴油和汽油；但这些清洁燃料需要使用压力容器. 一般使用钢制气瓶，这势必会增加车重、占用货箱的空间以及增加汽车行驶的能耗等. 采用纤维缠绕复合材料气瓶代替传统的钢制气瓶能够克服上述缺点，已经成为研究的热点.纤维缠绕复合材料气瓶具有以下优点：1）气收稿日期：2012-01-10.作者简介：徐君臣(1987-), 男，硕士研究生，主要研究方向：复合材料压力容器，E-mail：jzyin@.瓶重量轻、刚性好、强度高；2）金属材料的疲劳破坏通常是没有明显预兆的突发性破坏，而复合材料中的增强物与基体的结合既能有效地传递载荷，又能阻止裂纹的扩展，提高了气瓶的断裂韧性；3）复合材料中的大量增强纤维使得材料过载而少数纤维断裂时，载荷会迅速重新分配到未破坏的纤维上，使整个气瓶在短期内不至于失去承载能力；4）复合材料气瓶在受到撞击或高速冲击发生破坏时不会产生具有危险性的碎片，从而减少或避免了对人员的伤害；5）无需特殊处理就能满足耐腐蚀的要求.纤维缠绕复合材料气瓶一般由金属内衬、纤维、树脂等组成. 复合气瓶内衬内壁直接与介质接触，它的主要作用是气密、防腐、耐温和耐压；因此要求内衬材料具有良好的气密性、耐腐蚀性、耐温和高强度、高韧性等特点. 常用的内衬材料有铝·2·应用科技第39卷和塑料2种. 纤维缠绕增强复合材料层的主要作用是保证气瓶在受力的情况下，具有足够的强度、刚度和稳定性. 复合材料缠绕层承担绝大部分（75%~95%）的压力载荷，其中纤维是主要的承载体，树脂对纤维起粘结作用，并在纤维之间起着分布和传递载荷的作用；因此，选择高强度、高弹性的增强纤维和性能良好的树脂是提高结构承载能力的重要措施. 通常采用高强玻璃纤维环氧树脂或碳纤维环氧树脂和凯夫拉（Kevlar）纤维环氧树脂等高性能复合材料.复合材料气瓶一般采用2种分类方法，一是按照应用领域分为：1）天然气、氢气等燃料汽车的燃料气瓶；2）用于呼吸器系统，包括背负式呼吸器、小型呼吸器以及逃生用的呼吸面具等；（3）用于航空或航海，主要包括逃生滑梯充气装置和航空吸氧装置等. 二是按内胆材料和增强材料分类：按内胆材料可分为金属内胆缠绕气瓶和塑料内胆缠绕气瓶；还可以按增强材料分为高强玻璃纤维缠绕气瓶、碳纤维缠绕气瓶、芳纶纤维缠绕气瓶等. 由于铝内胆具有密封性好、抗疲劳性能强、循环寿命长、稳定性高及质量轻等优点，目前在碳纤维缠绕气瓶中得到了广泛的应用.1复合材料气瓶标准国际上对于复合材料气瓶没有统一的标准. 目前使用较多的标准有美国制定的DOT-CFFC《铝内衬全缠绕碳纤维增强复合气瓶的基本要求》，气瓶的最大水容积≤90.7 L，工作压力≤34.5 MPa. 美国国家标准所（ANSI）于1992年8月首次出版了NGV-2天然气汽车储气瓶标准，该标准包括了金属环向缠绕、金属内胆全缠绕、非金属内胆全缠绕. 对非金属内胆全缠绕，玻璃纤维的安全系数是 3.5，芳纶纤维是 3.0，碳纤维是 2.25. 1989年ISO/TC58/WG17也着手《车用压缩天然气气瓶》国际标准的制定工作，于1992年提出标准草案，经过多次修改，ISO 11439《车用压缩天然气高压气瓶》现已被中国在内的世界上大多数国家认可，标准第1版已于2000年9月正式颁布，它包括CNG-1金属气瓶、CNG-2金属内胆环向缠绕气瓶、CNG-3金属内胆全缠绕气瓶和CNG-4塑料内胆全缠绕气瓶. 此标准是在过去20年来各国经验的基础上制定的，因此目前国内车用压缩天然气气瓶也参考该标准. 国际标准化组织ISO于2002年批准了纤维缠绕复合气瓶标准——ISO 11119《复合结构气瓶−规范和实验方法》. 该标准主要包括环向缠绕复合气瓶、承载金属内胆纤维增强全缠绕复合气瓶、非金属内胆和不承载金属内胆纤维增强全缠绕复合气瓶. 此标准适用于容积450 L以下的容器，用于储存和运输压缩气体和液化气体，其水压实验压力≤65 MPa. 缠绕的纤维可为碳纤维、玻璃纤维、有机纤维或其混杂，但对环向缠绕标准中规定也可采用钢丝缠绕进行周向加强. 关于碳纤维复合气瓶主要的欧洲标准是英国HSE-A1-FW2以及欧洲大陆已批准的衍生版本——欧洲标准化技术委员会（CEN）编制的复合气瓶规范EN 12245-2002《可运输气瓶−全缠绕复合材料气瓶》，以及EN 12257-2002《可运输气瓶−无缝环向缠绕复合材料容器》等. 我国关于纤维缠绕复合材料气瓶的标准比较少，很多企业都参考国外标准，通过消化吸收国外先进技术和标准，制定了企业内部的标准. 我国参考国外的标准以及实际的生产和使用经验制定了GB 24160-2009《车用压缩天然气钢制内胆环向缠绕气瓶》. 该标准适用于设计、制造公称工作压力为20 MPa或25 MPa，公称水容积为30~450 L，工作温度为-40~65 C，设计使用寿命为15年的缠绕气瓶. 该标准还给出了试验方法和检验规则等. 内胆需要进行的试验项目有底部密封性试验、拉伸试验、冲击试验、冷弯试验、金相检查、底部解剖、无损检测、水压爆破试验等；缠绕气瓶需要进行的试验项目有缠绕层层间剪切强度试验、缠绕层抗拉强度试验、缠绕层外观试验、水压试验、水压爆破试验、气密性试验、常温压力循环试验、极限温度压力循环试验、加速应力破裂试验、枪击试验、火烧试验、裂纹容陷试验、酸环境试验、未爆先漏试验、高温蠕变试验等. 而我国至今还没有关于全复合材料CNG车用气瓶的技术标准. 为此，应在有关厂家生产实践的基础上，参照国外先进标准以及国内使用特点，尽快制定出此类气瓶的制造标准、定期检测标准和安全评定标准.2复合材料气瓶的制造复合材料气瓶的纤维增强层主要的作用是承受压力，所以纤维层对复合材料的力学性能有很大的影响. 在制造复合材料气瓶时纤维增强层主要考虑的因素有气瓶的缠绕张力、铺层顺序、缠绕角度、缠绕厚度、纤维缠绕的线型等.复合材料气瓶在缠绕制造过程中需要对纤维施加一定的张力，一方面是为了使纤维在内胆上按第4期徐君臣，等：纤维缠绕复合材料气瓶研究进展·3·照设计线型排列，另一方面是为了使气瓶内胆和缠绕层产生一定的预应力，从而改善气瓶的抗疲劳性能. 陈汝训[1]提出影响纤维强度发挥的重要原因是沿气瓶厚度方向各纤维受力不均匀，而缠绕张力又是纤维受力不均匀的重要因素，对壁厚较厚的气瓶尤其如此；因此，如何合理控制缠绕张力是提高气瓶纤维强度发挥的重要环节. 张宗毅[2]等提出了一种等效降温法，将缠绕张力产生的预应力等效为复合材料层降温产生的预应力，并通过有限元软件研究了缠绕张力对环向缠绕复合材料气瓶应力的影响. 研究结果表明：随着缠绕预应力的增大，环向缠绕复合材料气瓶内胆工作应力减小，复合层工作应力增大，缠绕张力产生的预应力较大时会抵消自紧工艺的效果. 王欣荣[3]研究了缠绕张力对碳纤维缠绕铝内胆复合材料气瓶爆破压力的影响，模拟结果表明有缠绕张力气瓶的爆破压力比无缠绕张力气瓶的爆破压力提高了3.03%. Cohen[4]采用实验设计方法确定了在缠绕工艺过程中纤维预应力对缠绕结构力学性能的影响，发现提高预应力可以有效增加在纤维缠绕结构中缠绕层的纤维体积百分比，从而提高结构的强度.Kalaycioglu等[5]研究了凯夫拉纤维缠绕6061-T6铝内衬的复合材料气瓶，主要集中在纤维的缠绕角度连续变化时，对称与非对称的铺层顺序对气瓶性能的影响，结构如图1所示. 研究结果表明，对称的铺层顺序相对于非对称的铺层顺序爆破压力提高了15%，主要是因为对称的铺层顺序使得气瓶纤维层的应力分布得更加均匀，减少了应力集中. Bertin等[6-7]对聚合物复合材料储氢气瓶进行了实验和模拟研究，主要集中在复合层的铺层顺序对复合材料力学性能的影响上，研究结果如表1所示. 从表中结果可以看出，对称的铺层顺序失效应力值最大. Velosa等[8]研究了以聚乙烯为内衬玻璃纤维缠绕的复合材料气瓶，结果发现纤维的方向、铺层的顺序和铺层的层数都会对纤维缠绕层的强度造成影响.(a)对称的铺层顺序；(b)非对称的铺层顺序图1 纤维缠绕的铺层顺序Wild等[9]通过网格分析得出纤维缠绕复合材料压力容器的最优角度为54.74︒. Parnas等[10]考虑了纤维缠绕复合材料气瓶的内压的作用，得出优化的缠绕角主要取决于几何形状和使用的失效准则，并给出缠绕角的范围为52.1︒~54.2︒. Rosenow[11]利用经典层合理论分析了薄壁复合容器的缠绕角度在15︒~85︒之间变化时的应力与应变情况；对于环向应力和轴向应力之比等于2的圆筒形容器，均衡性缠绕角最优值为55︒. Erkal等[12]对玻璃纤维缠绕塑料内衬的复合材料压力容器疲劳破坏进行了实验研究，玻璃纤维均采用对称的方式缠绕，缠绕的角度分为±75︒、±60︒、±55︒、±45︒，实验结果表明，当缠绕角度为±55︒时，爆破的压力最大，为10.2 MPa.表1 在准静态张力下实验和预测的失效应力值对比[ABABA]S [A2B2A]S [A3B2]S 极限应力实验值/MPa 100 75 72极限应力预测值/MPa 105 77 68 误差 5 2.5 4注：11+/)Aθθ=-（，22(/)Bθθ=+-，而15︒<1θ<35︒，75︒<2θ<90︒纤维缠绕的厚度并不是越厚越好，纤维缠绕得太厚不仅会增加制造成本，而且外层纤维的强度也得不到充分的发挥，造成材料的浪费. 古海波[13]对容积为2 L的碳纤维缠绕铝内胆复合材料气瓶的环向缠绕厚度进行了设计. 随着环向纤维厚度的增加，工作压力和最小爆破压力下内胆和纤维的应力水平降低，同时纤维的应力比减小. 根据DOT-CFFC标准，得出纤维单层厚度的取值范围为0.13≤t≤0.14 mm.对于纤维缠绕结构，纤维缠绕的线型是一个重要的设计参数. 目前基本的纤维缠绕线型有：环向缠绕、纵向缠绕和螺旋缠绕3种. 环向缠绕是沿容器圆周方向进行缠绕，只能在筒身段进行，纤维缠绕的角度通常在85︒~90︒之间，缠绕工艺简单. 纵向缠绕的纤维轨迹是一条单圆平面封闭曲线，缠绕角度较小，多用于粗短容器. 螺旋缠绕又称为测地线缠绕，缠绕时导丝头按特定速度沿芯模绕轴线匀速自转，可以对筒身段和封头进行纤维缠绕，缠绕角度约为12︒~70︒，缠绕工艺复杂. 池秀芬等[14]通过碰撞损伤研究发现螺旋缠绕方式抵抗损伤的能力要高于普通环向缠绕方式，所以在制造复合材料压力容器时尽量采用螺旋缠绕方式. 在复合材料气瓶·4·应用科技第39卷制造中，一般采用螺旋和环向组成的缠绕形式. 3 复合材料气瓶失效准则复合材料气瓶的失效主要是纤维层的失效，故设计也主要是设计纤维层的强度. 常用的失效准则有最大应力准则、最大应变准则、Tsai-Hill 准则[15]、Hashin 准则[16]、Hoffman 准则[17]和Tsai-Wu 准则[18]. 最大应力准则是指如果某一种材料主方向的应力超过其强度值，材料就破坏，通常适用于对强度有要求的场合. 最大应变准则也是将复合材料的各应力分量与基本强度分量相比较，区别是最大应变准则考虑了另外一个方向应力分量的影响，适用于对构件形状变形有严格要求的场合. 最大应力及Tsai-Wu 准则适用于拉、压应力，Tsai-Wu 及Tsai-Hill 准则都允许二次应力的相互作用；但Tsai-Hill 准则只是二阶标准，没有线性应力，而Tsai-Wu 准则有这种线性应力，并适用于平面的所有象限及三围问题. 其中Tsai-Wu 准则用的最广，表达式见式(1)：2221112226661122121221;F F F F F F σσσσσσσ+++++≥ (1)111t c F X X =,221t cF YY =,6621tc F S =,111t c F X X =-,211t cF Y Y =-,12F =式中：F 为强度系数，X t 、X c 分别为纵向的拉伸和压缩强度，Y t 和Y c 分别为横向的拉伸和压缩强度，S tc 为平面的剪切强度，1σ、2σ分别为纵向和横向拉应力.张晓军等[19]采用了最大应变准则预测了纤维缠绕复合材料气瓶的爆破压力约为66 MPa ，而2次爆破试验中测得的爆破压力分别为65 MPa 和68 MPa. 由此可见，最大应变准则预测复合材料气瓶的爆破压力是比较准确的. Wang 等[20]也基于最大应变准则，采用ANSYS 有限元软件预测了碳纤维缠绕6061-T6铝内胆气瓶的爆破压力为65 MPa ，与实验值比较吻合. Park 等[21]在考虑各种载荷和边界条件的情况下，采用剪切变形理论和Tsai-Hill 失效准则分析了对称的复合材料层，并获得了最优化的设计方案. 在保持强度不变的情况下，Moharrerzadeh 等[22]基于Hoffman 准则对复合材料气瓶的质量进行了优化设计，并且取得了比较理想的结果. Liu 等[23]采用Tsai-Wu 准则设计了碳纤维缠绕铝内胆复合材料气瓶，并采用ANSYS 软件分别计算了复合材料气瓶在预应力、工作压力、水压实验压力、最小破坏压力等下的应力值，计算结果均满足美国制定的DOT-CFFC 标准的要求. 这说明了理论设计的可行性，也为工程上的实际应用提供了理论依据. Antunes 等[24]也采用了Tsai-Wu 准则设计了聚丙烯内衬玻璃纤维缠绕的复合材料气瓶，并采用有限元软件计算了内衬、复合层的应力以及最小的爆破压力，计算的结果均满足EN 12245标准的要求，为实际的生产提供了理论依据. 郑津洋等[25]研究了碳纤维缠绕铝内胆的储氢气瓶，采用了最大应力准则、Hoffman 准则、Tsai-Hill 准则和Tsai-Wu 准则预测了气瓶的失效压力，结果如表2所示[25]. 而实验测得气瓶的爆破压力为125~126 MPa ，通过对比可以看出，这4种准则预测的爆破压力与实验值一致，而Tsai-Wu 准则预测的爆破压力值与实验值最接近.表2 采用4种失效准则计算气瓶的爆破压力值失效准则最大应力 Hoffman Tsai-Hill Tsai-Wu 爆破压力/MPa120.6119.6119.6122.74 复合材料气瓶的失效模式气瓶失效是指气瓶丧失了其储存介质的功能. 常见的气瓶失效模式主要分为弹性失效、屈服失效、脆性断裂失效、塑性断裂失效、疲劳断裂失效、冲击断裂失效等类型，其主要表现形式包括瓶身漏气，内胆鼓包、裂纹，纤维断裂，基体开裂、冲击损伤等. 4.1 瓶身漏气全复合材料气瓶的塑料内胆一般采用高密度聚乙烯材料，经滚塑工艺加工成型. 塑料内胆主要对气瓶起密封的作用，而非强度作用；因此，其失效主要是指内胆失去其应有的密封性能，多表现为气瓶出现各种形式的泄露. 内胆由于漏气而失效的原因主要包括2个方面：一方面是内胆制造成型时产生的缺陷，这类原始缺陷在气瓶的使用过程中，经反复疲劳很可能诱发出各种形式的裂纹，最终导致内胆泄露；另一方面是气瓶在运输、安装和使用中遇到的冲击损伤，过大的冲击力导致内胆出现裂纹等缺陷. 可以通过以下措施来防止瓶身漏气而导致的失效. 首先，要合理选择气瓶的制造材料，正确制定和执行标准，实行严格的质量管理和工艺过程及质量认证试验；其次，安装时要避免碰撞、划伤等；最后，使用过程中充气的速率应尽可能小一些，充气气压高限值应控制在20 MPa 以内. 4.2 内胆鼓包、裂纹据报道在复合材料气瓶的定期检验中发现，不第4期徐君臣，等：纤维缠绕复合材料气瓶研究进展·5·合格气瓶中发生内胆鼓包、裂纹的气瓶占全部检测气瓶数的84.85%. 显然内胆鼓包、裂纹是复合材料气瓶失效的主要形式. 雷闽等[26]为了确定复合材料气瓶内胆出现鼓包、裂纹缺陷产生的原因，对复合气瓶内胆材质进行力学性能、微观分析、缠绕层和内胆材料线膨胀系数测试. 测试结果发现缠绕层和内胆材料的线膨胀系数不同是导致复合材料气瓶产生鼓包和裂纹的最根本原因. 充放气过程中，内压和温度的低周循环也是气瓶产生缺陷的直接因素. 夏立荣[27]对车用CNG全复合材料气瓶内胆鼓包的成因进行了研究，研究结果表明，气瓶受内压的变化、充放气过程中内部温度的变化、内胆材料与缠绕层复合材料线膨胀系数、弹性模量以及延伸率的差异以及结合界面本身粘结性较差等都会造成气瓶内胆鼓包，这样在气瓶内气压的高低循环下反复作用，如此一来就会对内胆的最薄弱部位产生循环折弯的疲劳损伤过程，造成内胆层微裂纹的损伤贯通，最终造成气瓶整体泄露失效. 可以适当增加内胆的刚度、在内胆与缠绕层之间增加一种缓冲材料、严格控制气瓶的泄压过程，尽可能使气瓶保持一定的余压（2 MPa左右）等措施来防止气瓶内胆鼓包和裂纹的产生.4.3 纤维断裂复合材料气瓶由于在拆装、搬运、使用等过程中操作不当，使气瓶受到外力冲击、碰撞等损伤，导致复合材料气瓶表面出现划痕，进而使气瓶表面纤维断裂. 在气瓶检测中往往根据经验来作为气瓶判废的标准[28-29]，如建议在割伤深度超过0.15 mm 或磨损露出的纤维深度超过0.25 mm时气瓶便报废. 这些做法缺乏一定的理论依据，会造成不必要的浪费. 签于此，有很多学者对这方面的内容进行了研究. 徐延海等[30]研究了表面损伤对全复合材料车用天然气气瓶强度的影响. 文中取了气瓶嘴附近、上封头附近、筒身、下封头附近和筒底附近5个部位，在轴向和周向2个方向上设置了几种不同长度和深度的表面损伤组合来模拟纤维的断裂状态. 研究结果表明，气瓶在有表面损伤时的应力值比无表面损伤时明显增大；对于相同尺度的表面损伤，轴向表面损伤对气瓶应力的影响比周向表面损伤显著；随着表面损伤长度的增加，气瓶在该处的等效应力逐渐增大；筒身表面的损伤比其他部位损伤的危害性小. Makinson等[31]研究了划痕对碳纤维缠绕聚乙烯内衬的复合材料储氢气瓶爆破压力的影响. 文中研究了划痕分为纵向和环向，划痕的长度为57 mm，宽为 1 mm，深度分别为复合层厚度11.4 mm的10%、20%、30%和40%，对应的爆破压力分别为76.14、69.63、59.27和52.98 MPa，而没有划痕时的爆破压力为74.3 MPa，可见随着划痕深度的增加，气瓶的爆破压力逐渐减小. Kim等[32]研究了划痕对碳纤维缠绕铝内衬复合天然气气瓶疲劳寿命的影响. 文中研究划痕深度为1.5、2.0、3.0和4.0 mm，宽度为2 mm，长度分别为50、100和200 mm，一共进行了12组实验. 实验结果表明，当划痕的深度超过3.0 mm，长度超过100 mm时，对气瓶的疲劳寿命有显著的影响. 而ISO 19078标准中规定的划痕的深度要小于1.25 mm，这是比较保守的.4.4 基体开裂复合层基体开裂主要是由于树脂脆性大，断裂延伸率低，在外载荷作用下，树脂的开裂远早于纤维的断裂，使纤维附近的树脂及树脂与纤维之间的界面处产生应力集中，形成基体开裂. 基体开裂会导致层间分层以及纤维拉出、断裂，最后导致材料的破坏. 张晓兵等[33]对复合材料压力容器基体开裂损伤进行了研究，研究结果表明，缠绕张力能使树脂基体产生预应力，从而可提高基体抵抗开裂的能力. 缠绕张力不合适会造成树脂不均匀，在循环压力载荷作用下，将产生基体开裂、裂纹不断扩展和新裂纹的产生，导致压力容器的刚度、强度下降，影响使用寿命. 王晓宏等[34]采用渐进损伤的模型对纤维缠绕复合材料压力容器基体开裂损伤进行了分析，详细分析了压力容器不同部位随外载荷的增加逐渐失效的情况，与真实情况比较符合，为复合材料压力容器的设计提供了有用的参考价值. Orifici等[35]总结了基体开裂以及失效的准则，采用断裂力学理论预测了基体开裂对复合材料的破坏. 可以在树脂中加入其它助剂，在保证树脂固化后具有高的强度、模量的情况下使树脂具有一定的塑性和韧性，或者采用热塑性基体，这样可以减少基体开裂的发生.4.5 冲击损伤复合材料气瓶在使用的过程中容易受到外来物体的冲击而产生损伤，并且往往在表面损伤很小，而在气瓶内表面以及缠绕层之间损伤严重. 气瓶在冲击载荷作用下的损伤破坏表现为基体开裂、基体挤压、纤维断裂、分层损伤等. 冲击损伤使复合材料层的寿命和强度大大下降，严重影响材料的使用. 目前，对复合材料在冲击载荷作用下的研究主要集中在层合板在不同的冲击载荷作用下的损·6·应用科技第39卷伤规律，复合材料层合板的损伤机理等上. Choi等[36-37]通过实验和模拟的方法研究了在低速冲击载荷作用下复合材料层合板破坏的机理. 在冲击载荷作用下复合层基体开裂是最开始的失效模型，由于基体开裂会导致复合层出现分层和微裂纹；初始的微裂纹缺陷会显著降低复合层抵抗冲击破坏的性能；并且复合层的堆叠顺序对复合层的抗冲击性能有显著的影响. 张彦等[38]研究了碳纤维复合材料层合板在低速冲击作用下层内和层间的失效行为，并采用有限元软件对复合材料层合板在横向低速冲击作用下的损伤和变形行为进行预测分析，模拟的结果与实验的结果比较吻合. Kaneko等[39]采用有限元的方法对在横向载荷作用下的复合材料气瓶的失效进行了分析. 在建模时只考虑气瓶的筒体部分，筒体复合层最外层为玻璃纤维，其余为碳纤维缠绕，并且根据实际的情况考虑了气瓶的内压作用. 模拟使用的冲击器为刚性的半球形，半径为25 mm，质量为554 kg，冲击的速度为10 m/s. 模拟结果如图2所示[39].图2 复合层从开始到穿透载荷与位移的曲线从图2中可以看出，当气瓶内压为17.5~52.5 MPa时，穿透载荷随着内压的增加而增加，主要是因为压力越高，刚度越大；当内压为70 MPa时，穿透载荷反而小，由于压力太高，导致了轴向纤维失效的发生. 所以可以提高压力，但必须小于安全操作压力可以增强气瓶抵抗冲击破坏的能力.5 复合材料气瓶的优化设计优化设计的基本原理是通过建立优化模型，运用各种优化方法，求得满足设计要求范围内的目标函数极值，得到最优化方案. 纤维缠绕复合材料气瓶的优化主要集中在自紧压力的优化、质量的优化等上，主要的目的是改变工作压力下内衬和纤维层的应力分配，充分发挥复合材料高强度的特点，同时在保证强度的条件下尽量减轻气瓶的质量，提高经济性.5.1 自紧压力的优化自紧常常应用于金属厚壁高压容器. 在自紧压力下，让容器在靠近内壁的部分厚度范围内达到屈服而产生塑性变形. 当自紧压力卸掉后，内壁处产生残余压应力. 其目的是使得容器在工作压力下，容器内外壁的拉应力能够相近些，以较充分地利用材料. 纤维缠绕复合材料气瓶不算厚壁容器，但由于内胆和缠绕层材料力学性能的巨大差异，当内胆已经屈服时，纤维还处于低应力状态，纤维优良的高强度性能得不到充分发挥. 复合材料气瓶面临的这个问题恰好通过自紧可以来解决. 古海波等[40]采用有限元软件对2 L的碳纤维全缠绕铝内胆气瓶的预紧压力进行了优化，得到了预紧压力对气瓶应力影响的结果. 并对照DOT-CFFC标准，得到了预紧压力的范围为35.9 MPa≤P pre≤36.6 MPa，取最佳的预紧压力为P pre=36.6 MPa. 李小明等[41]对某型复合材料气瓶进行了优化设计，自紧压力由40 MPa 提高到44 MPa，铺层角度由10︒增加到12︒，而工作压力下气瓶内胆应力减少了25%，可见进行优化分析是有必要的. 郑津洋等[42]对70 MPa车用轻质高压复合材料储氢气瓶进行了自增强处理，内衬圆柱段的应力从147 MPa下降到135 MPa，而纤维层的应力有少量增加. 自增强处理后，内衬材料的承载能力得到提高，在反复充装气体时，不会产生塑性变形的积累. 李玮[43]采用有限元软件对4.3 L碳纤维缠绕铝内胆复合材料气瓶的自紧压力进行了优化. 在满足DOT-CFFC标准的情况下，自紧压力的取值范围为55.1~56.2 MPa. 相对未自紧气瓶而言，通过自紧作用大大提高了气瓶的力学性能，使气瓶具有很强的安全性和可靠性.5.2 气瓶质量的优化在满足气瓶强度要求的情况下，气瓶的质量是设计的重要参数. 纤维的价格相对较高，通过结构优化，减薄纤维层的厚度，可以节省材料，降低成本. 边文凤等[44]对纤维缠绕的车用气瓶进行了整体优化设计，从轻型角度出发给出了优化的目标函数，同时也给出了爆破压力最大的优化约束函数. 这样做的目的是保证了产品在安全使用的前提下，汽车有较高的动力性和较长的续驶里程. 王志辉等[45]采用零阶和一阶方法并按照美国DOT-CFFC设计要求对复合材料气瓶进行了优化设计. 通过优化，纤维强度转换率得到提高，复合材料层体积由306 cm3减小到232 cm3，气瓶的容重比由7.24提高。

纤维缠绕复合材料气瓶的发展及其标准情况

纤维缠绕复合材料气瓶的发展及其标准情况1引言在压力容器中，中低压容器一般以板焊结构为主，而高压容器则出现多种结构：单层结构有整体锻造式、锻焊式、厚板卷焊式、电渣重熔式；多层结构有层板包扎式、螺旋包扎式、热套式、整体包扎多层式；缠绕结构有绕丝式、绕板式、扁平钢带倾角错绕式和型槽绕带式。

但这些结构都是指金属材料而言，单台压力容器重量根据容积大小和压力高低，最重的甚至可达数千吨。

而高压气瓶过去制造和使用的主要是金属材料即钢质和铝质的，按制造方法分有冲拔拉伸（E 法）、管材收口（M法）以及冲压拉伸（C法）等。

随着材料科学和制造工艺技术的进步，由于气瓶为移动式容器，为了减轻气瓶的重量，同时又能承受较高的压力，也出现了在金属或非金属材料内胆上环缠绕和全缠绕纤维材料组合结构的缠绕气瓶，即复合材料气瓶。

复合材料缠绕气瓶目前主要应用于呼吸器（如消防呼吸系统、登山、老人及病人吸氧、航空及航天系统等）及车用压缩天然气燃料气瓶两大领域，也可用于某些压缩气体和液化气体及其混合物。

现就纤维缠绕复合气瓶的发展及其标准的有关情况作一简要说明。

2纤维缠绕复合材料气瓶的发展及其标准情况2.1复合材料气瓶的发展复合材料气瓶的发展始于20 世纪50 年代，是基于火箭发动机复合材料机壳技术。

早期的复合气瓶是用玻纤浸渍环氧树脂缠绕于橡胶内胆上，虽然其重量比钢质轻，但由于玻纤较低的抗应力断裂及静态疲劳能力，以及气体渗透率较大，因此需要采用较高的安全系数。

20世纪60 年代开始使用金属内胆，如果内胆足够厚，允许纤维全缠绕或环缠绕增强。

复合气瓶采用金属内胆的渗透率比橡胶内胆的低得多，但内胆的疲劳寿命却受到限，薄壁内胆可在100～1000次循环产生开裂到泄漏，而厚壁内胆可在10000～30000 次循环产生泄漏。

复合材料容器和气瓶最早于20世纪50年代和60 年代用于国防和航天，这些容器或气瓶用于军用飞机的喷射系统，紧急动力系统和发动机重新启动应用系统，它们也用于航天试验室的氧气罐和导弹系统的压力源。

复合材料气瓶的结构、性能和应用研究

种生产工艺。３国内外复合材料气瓶的应用进展
３１国外研究进展．
金、洋开发等领域普遍采用的一种重要设备，海以往大多采用金属材料加工制造，钢瓶、合金气瓶如钛
等。为了最大限度地减轻气瓶质量，技人员开科
负式呼吸器、型呼吸器以及逃生用的呼吸面具；小
气瓶的研制己经有５０多年的历史，国外对复合
材料气瓶的研究最早开始于２０世纪５６Ｏ～０年代，
主要用于国防和航空、航天领域，军用飞机喷射系如统，急动力系统和发动机重新启动应用系统使用紧
公司，国Ｂｕｓｉ美ｒｎｗｃ工企业等。他们利用自身ｋ军
的设备、术、才及军工生产方面的经验和优势，技人
试图在气瓶的开发生产中占有一席之地，疑这将无
复合材料气瓶的成型包括内衬的制造和纤维增
数才能保证其可靠性。
合材料气瓶为例，明其制造工艺，图ｌ示。内说如所衬的制造主要包括金属板热压、伸、拉旋压、热处理、
后加工、检验等工序，以参照Ｇ／１４２０可ＢＴ１６０— ０１
外技术力量雄厚的纤维缠绕大公司投入力量来开发，如美国著名的火箭及纤维缠绕壳体公司Ｔｉｏｈｏｌｋ

全缠绕气瓶铝合金内胆旋压工艺试验研究与应用

增厚的特点，探讨了铝合金内胆旋压成形的规律。
关键词：铝合金；成形；增厚
中图分类号：ＴＧ３８５．２
文献标识码：Ｂ
ＲｅｓｅａｒｃｈａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＡｌｌＷｒａｐｐｅｄＡｌｕｍｉｎｕｍ
ｌ引言
的复合运动轨迹来实现的，并且是多道次、逐点变形
旋压机充分利用旋压收口机的优良性能，编制了旋压收完成的。要实现封头曲线形状和变壁厚要求，机床主轴要提供足够的扭矩口程序，经反复工艺试验和调整程序，最终完成了封床要实现以下功能要求，头成形，确定了工艺参数和工艺路线。和转动速度，旋轮架要实现纵向（ｚ轴）、横向（１，轴）、转动（轴）３轴联动，机床具有ＣＮＣ控制功能和良好的位移精度，足够的强度和刚度。
ｔｅｓｔ，ｉｔｉｓｃｏｎｃｌｕｄｅｄｔｈａｔｔｈｉｃｋｅｎｉｎｇｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅａｌｕｍｉｎｕｍｃｙｌｉｎｄｅｒｃｏｎｖｅｒｇｅｎｔｓｐｉｎｎｉｎｇ，ｄｉｓｃｕｓｓｅｓｔｈｅａｌｕｍｉｎｕｍｔａｎｋｓｐｉｎｎｉｎｇｆｏｒｍｉｎｇｒｅｇｕｌａｒｉｔｙ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙ；ｆｏｒｍｉｎｇ；ｔｈｉｃｋｅｎｉｎｇ

消防水带爆破压力试验中爆破压力与升压速率关系分析研究

８７
爆破压力与升压速率之间的关系，探讨消防水带爆破压力试验方法中升压速率设定范围的合理性。关键词
＇ｉｆ量
６
５
３
２
１
０
０引言
有衬里消防水带通常南经纬
线编制的筒状织物层和衬里（或覆
盖层），通过蒸汽硫化或粘胶剂组
升压速率也不相同。
（３．２ — １．２）＝２ＭＰ升时间ｔ为２５．６ｓ（０．４２ｍｉｎ），则ｖ＝（Ｐ
Ｐ０）ｈ＝２／Ｏ．４２＝４．７６ＭＰａ／ｍｉｎ、
陔公式表示升速率ｖ与水带爆破压力值Ｐ成正比，与升时间１成反比。即当试样的爆破压力值Ｐ较大或升压时问Ｉ较小时，升压速率ｖ较高；反之，则升压速率较低。
（口ｃ玎Ｉｖ｛皇ｆ为进一步证实上述消防水带爆破压力与升压速率的正
ｃ玎Ｉｖ毒ｆ下的爆破压力与升压速率会有不同。其巾水带爆破压力主要
０
相关性，本研究还比较了消防水带老化试验前、后的爆破压
４３２１
第２期（总第１９０期）
翘楚建．前
试验研究 ■
消防水带爆破压力试验中爆破压力与升压速率关系分析研究
丁卓群。柯志鹏
（福建省产品质量检验研究院，福建福ｇ，ｉ、Ｉ３５ｏ｛）ｏ２）
摘
要ห้องสมุดไป่ตู้

复合材料气瓶有限元应力应变分析

摘
要本文利用ＡＳＳ型有限元程序建立了复合材料气瓶（属内衬）ＮＹ大金的有限元模型，建模中将纤维缠绕层作
为复合材料层合板处理，考虑了封头处缠绕层厚度及缠绕角沿子午线不断变化的情况。针对建立的模型进行了气瓶在几个工况点下的变形分析，过在３Ｍａ通０Ｐ压力、５Ｐ压力下的位移分析和试验测量对比，４Ｍａ分析和试验结果分别为６２Ｍａ和５８Ｍａ８４Ｍａ７６Ｍａ误差分别为９３９Ｏ均在１％以内。利用最大应变准则预测．５Ｐ．６Ｐ、．８Ｐ和．９Ｐ，．％、．％，０了气瓶的爆破压力约为６Ｍａ６Ｐ。两次爆破试验中，测得的爆破压力分别为５Ｐ和６Ｍａ６Ｍａ８Ｐ。结果表明，建模与分析
１引言
复合材料的显著优点是比强度高、比模量大、抗疲劳性能好。复合材料具有的这些优点正好满足航
ｐｇａｏｒｒｍ．Ｉｈｄｌｇｈｅｔｔｌｆｌｍｅｔｉｄｎｙｒｒａｄｅｓｃｍｐｓｅｌｍｉａｅｉｔｏｓｅｎａａｉｎｔｉｋｎｔｅｍｏｅｉ，ｔａａｎｎｉｇｌｅｓａｅｈｎｌｄａｏｏｉｎｏｏｆｉｗａｔａｎｔ，ｗｈｃｎｉｒｇｖｒｔｃ－ｄｉｉｏｈｎｓｄｗａｎｌｆｅｅｙｕｉｉｃｉｎｌａｅｆｔｅｄｍｅ．Ｕｉｇｔｅｍｏｅ．ｓｔｅｏｍａｉｎａａｙｉａｄｔｓｎｒｏ — ｅｓａｒｐａｇｅｏｖｒｎｄｒｔａｙｒｏｏｓｎｅｏｌｈｓｈｄ１ｔｉｄｆｒｔｌｓｓｎｔｇａｅｃｎｎａｃｏｎｅｉｄｃｅｔｅｅａｐｒｔｇｍｏｅｕｄｒｅｐｅｓｒｆ０ａａｄ４ＭＰ。ａａｙｉａｄｔｓｒｓｌｅｅ６．５ⅧＰｎ８ＭＰ，ｕｔｄａｖｒｏｅａｉｄｎｅｒｓｕｅｏ３ＭＰ５ａｎｌｓｔｅｕｔｗｒ２Ｉａａｄ５．６ａｓｌｎｈｔｎｓｎｅｓ８４ＭＰｎ６ＭＰｅｐｃｖｌ．８ａａｄ７．９ａｒｓｔｅｅｉｙ．ｅＴｒｏ９３％。９．％ａｅｌｓｈｎ１ｌｆ．ｏ０ｒｅｓｔａ０％．Ｔｅｂｒｔｐｅｓｒｆｅｖｓｌｐｅｉｔｄｗｔｈｕｓｒｓｕｅｏｅｓｒｄｃｅｈｈｔｅｉｈｘｓａｎｃｔｒｐｒｘｍａｅｙ６ＭＰ．ａｄｔａｒｄｂｒｔｒｓｕｅｏｔｔｗｒ５ａａ８ａｒｐｃｉｌ．ｔｅｍａｔｉｒｅａｉａｐｏｉｔｌ６ａｎｅｍｅｕｅｕｓｐｅｓｒｆｗｏｔｓｅｅ６ＭＰｄ６ＭＰｓｅｔｅｙｒｉｉＳｈｓｅｓｎｅｖＣｍｐｒｏｅｗｅｈｎｌｓｓａｄｔｓｒｓｌｎｉａｅｈａｉｔｆ山ｅｍｏｅｉｇａｄａａｙｉｇｍｅｏ．ｏａｓｎｂｔｅｎｔｅａａｙｉｎｔｅｕｔｉｄｃｔｓｔｅｖｌｙｏｉｅｓｉｄｄｌｎｎｌｚｔｄｎｎｈ

薄壁铝内衬芳纶缠绕高压气瓶的研制

图(
施加预压力前后的金属内衬应力应变关系示意图
$"+
芳纶纤维缠绕张力的控制采用张力器控制每股纱的张力；采用张力递减
的缠绕工艺，以避免由于外层纤维的张力作用使内层出现松弛现象。 $", 芳纶纤维的缠绕工艺芳纶纤维极易吸潮，因此必须在干燥的环境下缠绕。缠绕前芳纶纤维进行脱水处理，缠绕过程对纤维经过的路径进行密闭烘干，确保纤维性能不降低。
$: ) #:5 室温
!.MN ห้องสมุดไป่ตู้.MN
薄壁铝内衬的焊接要注意以下几方面：焊接工艺中电流的控制；内衬旋转速度和同轴度的控制；焊丝材质和规格的确定；内衬变形的控制；喷嘴及钨丝
*%
纤
维
复
合
材
料
%))* 年
直径的确定等问题。尤其对氩气的纯度要求很高，必须达到 !! " !!# 。在焊接过程，含氧量增加，焊缝的强度和冲击韧性急剧下降；含氮量的增加会使焊缝的塑性急剧下降，材料变的硬而脆。 $"% 不同材质的金属接头与薄壁铝内衬的连接内衬材质为纯铝，接头材质为 &’()，两种不同材质的连接是技术关键之一，如采用焊接技术，对焊丝材质和规格要求高，且焊缝质量不易保证，焊缝处容易产生应力集中，因此焊接不可取。我们采用粘接技术，主要解决了下列问题：消除了焊接带来的应力集中，避免了气瓶的 (）早期渗漏；接头与内衬之间产生一层相对柔性粘接层， %）气瓶在高压作用下将接头与内衬之间原有的拉力通过接头的相对滑移转变成正压力；有效提高接头与内衬的疲劳寿命。 *） $"* 复合材料金属内衬气瓶的结构设计采用了带金属内衬的纤维缠绕压力容器设计方法，并通过内衬及焊缝的力学性能研究，确定出内衬有焊缝时气瓶设计准则（应变控制准则）通过结构设计确定了合理的编绕层次和封头补强，确定了纤维的缠绕张力的控制。 $"$ 疲劳寿命的设计通过对金属内衬断裂延伸率的提高，从而预防了金属内衬的早期开裂，以提高气瓶的疲劳寿命及可靠性。由于内衬开裂使气瓶漏气是芳纶气瓶早期破坏的主要原因之一，铝内衬的开裂是循环压力载荷作

储氢复合材料气瓶缠绕层结构设计

1.2.2网格理论
由于基体树脂的抗拉强度及抗拉模量只有纤维的2%-5%，且在气瓶爆破时树脂基体几乎完全开裂，已无加强作用，所以在设计纤维缠绕层时忽略树脂基体的作用，将气瓶看作完全由纤维承担载荷。这种忽略树脂基本刚性、认为张力完全由纤维网络承担的设计理论称为网格理论。国内外研究实验表明，使用网格理论对复合材料气瓶进行初步设计，计算出爆破压力比较准确。因此目前复合材料气瓶初步设计均使用网格理论作为计算依据。
1.3发展趋势
高压储氢气瓶正不断朝着轻质高压、高质量/体积储氢密度方向发展。同时随
着纤维复合材料、聚合物材料以及缠绕设备、缠绕技术的更新升级，高压储氢气瓶必将更大地拓展其应用场景。
1.1具体设计内容
确定测地线和气瓶缠绕角，以及缠绕线型，确定工艺参数，选择采用日本东丽T700S-24k碳纤维作为气瓶的增强材料，确定好计算参数包括：气瓶筒身段半径、缠绕带宽（T700S-24k碳纤维、单束纱）、纤维体积含量、T700碳纤维密度、T700碳纤维线密度、纤维单层厚度、复合材料单层厚度、设计爆破压强、T700碳纤维发挥强度，根据公式计算螺旋向层数与环向层数，以及纤维总厚度和福彩总厚度。根据不同的缠绕角度设计不同的螺旋缠绕层数以及设计环向层数，根据不同的层数设计气瓶横向爆破压强和纵向起平爆破压强，根据经验设计的比最初的设计爆破压强高一点，最后推算出筒身段螺旋缠绕厚度、筒身段环向缠绕厚度以及总厚度。
现有设备：win10电脑，Abaqus CAE软件
协作条件：在林松老师指导，同学帮助下进行设计
1.2课题重点&难点
根据相关国家标准，运用网格理论进行铺层设计，有限元建模和分析，完善铺层方案为本课题的设计重点；确定影响复合材料气瓶强度的因素后完善铺层为本课题难点。
1.3预期成果&提供形式

碳纤维缠绕储氢瓶的有限元自紧分析和爆破压力预测

碳纤维缠绕储氢瓶的有限元自紧分析和爆破压力预测张广哲;王和慧;关凯书【摘要】The finite element model embedded isotropy metal and anisotropy composite material is established according to the structure characteristics of the high pressure hydrogen storage vessel with metal liner and carbon fiber - winding layers. Static elasto - plastic stress and deformation simulations are carried out under various pressure loads, with considering the effect of autofrettage and working conditions and also referring DOT CFFC standard. Based on the progressive failure theory,Tsai - Wu failure criteria was employed to determine the failure properties of composite vessels, according to which the stiffness of relevant elements is modified. The birth - to - death element technique in the finite element analysis is used to describe the mechanical properties of carbon fiber composite elements. The burst pressure of the vessel predicted in terms of the rapid increasing of the number of failure elements with increasing internal pressure is in good agreement with the experimental results, which proved the acceracy of the proposed approach.%根据高压储氢瓶的金属内胆和外部碳纤维缠绕层的结构特点进行各向同性金属和各向异性复合材料叠层的有限元建模.考虑自紧作用与气瓶的实际工况,对气瓶在不同内压下应力和变形的弹塑性响应进行了分析.参考DOT CFFC标准对气瓶进行了自紧设计和弹塑性加卸压模拟分析.基于渐进破坏理论,用Tsai - Wu失效准则判断复合材料失效模式,并据此修改单元刚度;利用单元生死技术,依据失效单元数目的急剧增大来预测气瓶的爆破压力,与文献试验结果相比误差很小,验证了该方法的可靠性.【期刊名称】《压力容器》【年(卷),期】2011(028)008【总页数】9页(P27-34,43)【关键词】储氢瓶;自紧;复合材料;渐进失效;有限元分析【作者】张广哲;王和慧;关凯书【作者单位】华东理工大学机械与动力工程学院,上海200237;华东理工大学机械与动力工程学院,上海200237;华东理工大学机械与动力工程学院,上海200237【正文语种】中文【中图分类】O39;O242.10 引言随着近几十年全球经济的迅猛发展，汽车的数量也大幅度增加，随之产生了环境污染、能源紧张等问题。

环缠绕钢内胆复合气瓶轴向破裂原因分析

环缠绕钢内胆复合气瓶轴向破裂原因分析由宏新;戴行涛;秦胤康;韩冰;周一卉;胡军【摘要】To research the reason for axial rupture of hoop-wrapped composite cylinders with steel liner (CNG -Ⅱ),the CNG -Ⅱcylinder,which had been axially ruptured in actual hydraulic burst test,was simulated by finite element analysis(FEA).The veracity of established model by FEA was verified by comparing the results of FEA with the results of hydraulic burst test.On this basis,the stress of tested cyl-inder was analyzed to investigate the stress distribution of liner and composite layer.The results show that the axial stress was greater than the hoop stress of liner under burst pressure,resulting in the overpressure damage and axial rupture.%为了研究环缠绕钢内胆复合气瓶（CNG －Ⅱ）轴向破裂原因，对实际 CNG －Ⅱ气瓶水压爆破试验中出现轴向破裂的气瓶进行有限元分析。

对比水压爆破试验结果和有限元分析结果，验证有限元建模的准确性。

在此基础上，对受试气瓶进行应力分析，研究气瓶内胆和缠绕层的应力分布，得出气瓶在爆破压力下，内胆筒体段轴向应力大于环向应力，产生超压破坏，发生轴向破裂。

UHMWPE复合材料气瓶爆破压力预测

UHMWPEF 缠绕铝内衬复合材料气瓶的爆破压力预测摘要：本文利用有限元强大的后处理功能，在复合材料气瓶的有限元模型上选取一条路径，使其能够代表复合材料气瓶模型上的所有点，然后在同一载荷下观察这一路径上的点的应变曲线，观察曲线规律，从中选取三个点做出载荷-应变曲线，找出最大应变点。

然后做出环向纤维缠绕复合材料层的这个点在不同载荷下的载荷-应变曲线，根据最大应变准则，预测UHMWPE 纤维缠绕复合材料气瓶的爆破压力。

关键词：有限元；最大应变准则；爆破压力；网格分析引言气瓶为移动式容器，为了减轻气瓶的重量，同时又能承受较高的压力，出现了在金属或非金属材料内衬上环缠绕和全缠绕纤维材料组合结构的缠绕气瓶，即复合材料气瓶[1]。

一般而言在相同容积，承受相同内压情况下，复合材料气瓶的重量大约是钢瓶的50%-60%[2]。

因此，复合材料气瓶的应用越来越广泛。

复合材料的显著优点是比强度高、比模量大、抗疲劳性能好。

复合材料具有的这些优点正好满足航天系统对减轻结构重量的特殊要求，这使它成为当代航天系统上应用越来越多的重要材料。

但是复合材料具有强烈的各向异性和非均质性的特点，因此它的力学性能比较复杂[1]。

此外结构在形成过程中有组分材料的物理和化学变化发生，构件的性能对复合工艺的依赖性很大[2-3]。

这些因素决定了复合材料气瓶结构的复杂性，因此仅靠网格理论对其进行静力学设计和分析不能满足空间系统对压力容器的高可靠、高性能要求，而有限元分析方法能进行非常准确和详细的静力学分析[4]，为设计提供充分和足够的应力应变分析数据，从而将盲目性减小到最低程度，使气瓶设计达到最佳程度[5]。

国外复合气瓶的研究主要集中在对复合材料本身的性能及容器本身的各种极限问题的研究。

国内的研究主要在结构的设计以及数值模拟方面[13]。

本文利用有限元强大的后处理功能，在复合材料气瓶的有限元模型上选取一条路径，使其能够代表复合材料气瓶模型上的所有点，然后在同一载荷下观察这一路径上的点的应变曲线，观察曲线规律，从中选取三个点做出载荷-应变曲线，找出最大应变点。

复合材料的抗压性能与性能评估

复合材料的抗压性能与性能评估在当今科技飞速发展的时代，复合材料凭借其独特的性能优势，在众多领域得到了广泛应用。

其中，抗压性能是评估复合材料质量和适用性的关键指标之一。

复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料通过物理或化学方法组合而成的一种新型材料。

其组成成分包括基体材料和增强材料。

基体材料通常起到粘结和传递载荷的作用，而增强材料则主要用于提高材料的强度和刚度。

常见的复合材料有纤维增强复合材料（如碳纤维增强复合材料、玻璃纤维增强复合材料）、层合复合材料等。

复合材料的抗压性能受到多种因素的影响。

首先是材料的组分。

不同的基体和增强材料具有不同的力学性能，这直接决定了复合材料的抗压能力。

例如，碳纤维具有高强度和高模量的特点，以碳纤维作为增强材料的复合材料往往具有出色的抗压性能。

其次，纤维的含量、长度、取向以及纤维与基体之间的界面结合强度也对复合材料的抗压性能有着重要影响。

一般来说，纤维含量越高，复合材料的抗压强度越大；纤维长度越长，抗压性能也会相应提高；而合理的纤维取向能够有效地承受压力载荷。

此外，制造工艺也是影响复合材料抗压性能的关键因素之一。

制造过程中的温度、压力、固化时间等参数的控制，直接关系到复合材料内部的微观结构和缺陷分布，从而影响其抗压性能。

为了准确评估复合材料的抗压性能，需要进行一系列的实验和测试。

常见的测试方法包括压缩试验、三点弯曲试验等。

在压缩试验中，将复合材料制成标准试样，然后在万能试验机上施加轴向压力，通过测量试样在压缩过程中的变形和载荷，计算出抗压强度、抗压模量等性能指标。

三点弯曲试验则主要用于评估复合材料在弯曲载荷下的抗压能力。

在进行性能评估时，不仅要关注抗压强度等宏观性能指标，还需要考虑材料的微观结构和失效机制。

通过扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）等技术，可以观察复合材料内部的纤维分布、基体裂纹扩展、界面脱粘等微观现象，从而深入了解其抗压性能的本质。

此外，有限元分析（FEA）等数值模拟方法也在复合材料的性能评估中发挥着重要作用。

UHMWPEF缠绕气瓶线型设计与试验

度只有芳纶纤维的２３和高模碳纤维的１；向拉伸／／轴２性能很高，比拉伸强度是现有高性能纤维中最高的，
比拉伸模量仅次于高模碳纤维，较芳纶纤维高得多ｌ１１；－２
作螺旋缠绕的特例．本文主要分析研究满足工艺上故的强度要求和芯模外型要求的线型设计，进行螺旋并
ｗｎｉａａｅｅｓａｄｔｈｉｒａｆｍｄＴｅｗｎｉｇｐｔｒｉｏｔｎｄｂｄｕｔｇｗｎｉｇａｇｎｉｄｎｐｒｍｔｒｎｃｎｓａｅｆｒｅ．ｈｉｄｎａｅｂａｅｙａｊｓｎｉｄｎｌａｄｇｅｃｉｔｓｉｉｎｅ
是分析缠绕规律的中心问题，这是由于纤维缠绕成型
主要是进行线型的设计［－Ｊ维在芯模上的缠绕线１１纤０ｚ．型分为：向、向、旋缠绕３类［．面缠绕、向环纵螺１平３１环缠绕的缠绕规律比较简单，在一定条件下，以看且可
Ｔａｊ０１０Ｃｉａｉｉ３０６，ｈｎ）ｎｎ
Ａｂｔａｔｃｏｄｎｏｔｅｄｓｇｅｕｒｍｅｔａｄｇｏｔｃｄｍｅｓｏｓｏｉｄｎａｙｉｄｒｈｉｄｎａｔｒｉｓｒｃ：Ａｃｒｉｇｔｈｅｉｎｒｑｉｅｎｓｎｅｍｅｒｉｎｉｎｆｗｎｉｇｇｓｃｌｅ，ｔｅｗｎｉｇｐｔｓｉｎｅｄｓｇｅｙｓｅｇｈａｄｃｎｇｒｔｎｏｎｒｌｗｔｅｉｎｄｂｔｎｔｎｏｆｕａｉｆｍａｄｅｉＵＨＭＷＰＦｈｈｃｎｓｆｔｅｓｉｌｆｅｎｉ－ｒｉｏｈＥ．Ｔｅｔｉｋｅｓｏｈｐｒｂｒａｄｃｒａｉｃｍｆｒｎｉｌｂｒｆｒｔｅｔｎｒａｎｄｉｄｎａｅｓｃｌｕａｅｎｔｅｂｓｓｏｅｔｇａａｙｉ，ｎｈｕｅｅｔｅｏｈａｋａｅｇｉｅ，ｗｎｉｇｌｙｒｉａｃｌｔｄｏｈａｉｆｎｔｎｎｌｓｓａｄｔｅａｆｉｉ

《专业综合实践》设计报告---300L加氢站用复合气瓶的结构设计

《专业综合实践》设计报告300L加氢站用复合气瓶的结构设计摘要为了准确预测复合材料气瓶外层碳纤维缠绕的缠绕方式，采用理论分析、数据处理和软件模拟相结合的方式，提出了一种碳纤维缠绕复合材料气瓶铺层设计方法。

根据设计结果，基于Excel软件进行了设计指标150ＭPa的金属内胆复合材料气瓶数据处理，分析了气瓶复合材料层在理论上不同缠绕角度和层数所承受的爆破压强，预测了成品纵向总爆破压强为151.79ＭPa，环向总爆破压强为154.50ＭPa，螺旋向层数为44，环向层数为64，总层数为108层。

采用ESACOMP软件，进行了复合材料铺层设计并对复合材料气瓶铺层设计进行了核算，从而预测了气瓶最终缠绕角度、缠绕层数和缠绕顺序，确定了最终结果为纵向总爆破压强为151.79ＭPa，环向总爆破压强为163.03ＭPa，螺旋向层数为44，环向层数为68，总层数为112层。

进行了多角度缠绕模拟仿真，仿真结果表表明：气瓶在设计缠绕角度为8.62°、12°、18°、24°、32°、40°、48°的情况下均可顺利进行缠绕，验证了理论数据能够满足生产要求。

关键词：碳纤维缠绕；储氢气瓶；软件模拟；数据处理；模拟仿真目录设计任务书............................................................................................... 错误!未定义书签。

内容摘要. (1)一．高压储氢气瓶国内外研究进展情况 (3)（一）储氢气瓶历史及优势 (3)（二）储氢气瓶的国内研究成果 (5)（三）储氢气瓶的国际研究成果 (6)（四）纤维缠绕方法 (7)（五）储氢气瓶材料 (8)二．储氢高压复合材料气瓶设计指标 (14)三．储氢高压复合材料气瓶强度设计 (14)（一）储氢高压复合材料气瓶的网格理论公式推导 (14)（二）储氢高压复合材料气瓶的厚度估算 (15)（三）储氢高压复合材料气瓶的铺层设计及强度核算 (16)四．ESACOMP 软件进行复合材料气瓶筒身段强度核算 (15)（一）ESACOM软件演示 (15)（二）分析及讨论 (27)五．复合材料气瓶缠绕模拟仿真 (28)（一）缠绕仿真 (28)（二）分析讨论 (31)六．总结 (32)一．高压储氢气瓶国内外研究进展情况（一）储氢气瓶历史及优势建立“脱碳”社会，减缓因传统化石燃料带来的全球气候变暖、海啸等气候灾害，已成为国际社会的广泛共识。

气瓶动态爆破压力预测

气瓶动态爆破压力预测韦晨;王泽军;谭蔚;姜斌【摘要】为分析气瓶爆炸事故原因，预测气瓶爆破压力，以气瓶材料HP295钢为研究对象，通过力学试验研究其在动态加载条件下的力学性能，发现HP295钢具有应变率效应。

建立有限元模型并结合得到的动态强度指标，对气瓶爆破进行动态分析，结果表明气瓶最终在筒体处发生破裂。

随加载速率的增加，有限元分析得到的爆破压力与使用修正后的巴洛公式估算得到的爆破压力逐渐接近，所以动态快速加载条件下，可用该公式对爆破压力进行预测。

%During the process of accident analysis of the gas cylinder explosion the burst pressure was of-ten needed to predict.HP295 steel for the gas cylinders was studied.The dynamic mechanical properties were tested and the strain rate effect was found through the tests.Finite element model was established with the dynamic experimental results.The dynamic burst process was simulated with the result that the rupture occurred on the barrel rather than on the head.With the increase of loading rate,the burst pres-sure simulated by the finite element analysis is more and more close to that calculated by the adjusted Barlow formula.As a result under rapid dynamic loading conditions the formula can be used to predict the burst pressure.【期刊名称】《压力容器》【年(卷),期】2014(000)004【总页数】8页(P41-48)【关键词】动态加载;气瓶;爆破压力;有限元【作者】韦晨;王泽军;谭蔚;姜斌【作者单位】天津市特种设备监督检验技术研究院，天津 300192;天津市特种设备监督检验技术研究院，天津 300192;天津大学，天津 300072;天津市特种设备监督检验技术研究院，天津 300192【正文语种】中文【中图分类】TH49;TQ053.2;O241.820 引言焊接气瓶是用于充装液氨、液氯、环丙烷、液化石油气等低压液化气体和溶解乙炔气体的可重复充装而无绝热装置的移动式压力容器。

车用压缩氢气铝内胆碳纤维全缠绕气瓶安全评估导则

车用压缩氢气铝内胆碳纤维全缠绕气瓶安全评估导则1范围本文件规定了超过设计使用年限车用压缩氢气铝内胆碳纤维全缠绕气瓶（以下简称气瓶）安全评估的术语和定义、基本要求、评估项目、评估结论和评估报告。

本文件适用于公称工作压力不超过70MPa，公称水容积不大于450L，贮存介质为压缩氢气、工作温度不低于-40℃且不高于85℃、固定在道路车辆上用作燃料箱的可重复充装气瓶。

2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。

其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。

GB/T 19624在用含缺陷压力容器安全评定GB/T 35544 车用压缩氢气铝内胆碳纤维全缠绕气瓶GB/T 37166无损检测复合材料工业计算机层析成像（CT）检测方法GB/T 38537纤维增强树脂基复合材料超声检测方法C扫描法GB/T 38883 无损检测主动式红外热成像检测方法GB/T 42626 车用压缩氢气纤维全缠绕气瓶定期检验与评定GB/T 42870 无损检测纤维增强聚合物的声发射检测方法和评价准则NB/T 47013.9 承压设备无损检测第9部分：声发射检测NB/T 47013.11 承压设备无损检测第11部分：X射线数字成像NB/T 47013.14 承压设备无损检测第14部分：X射线计算机辅助成像TSG 23 气瓶安全技术规程TSG Z7001 特种设备检验检机构核准规则3术语和定义下列术语和定义适用于本文件。

3.1.铝内胆河在外表面缠绕碳纤维增强层，用于密封气体且可承受或不承受部分压力载荷的无缝铝合金容器。

3.2全缠绕用浸渍树脂基体的碳纤维连续在铝内胆上进行螺旋和环向缠绕，使气瓶的环向和轴向都得到增强的缠绕方式。

3.3全缠绕气瓶在铝内胆外表面全缠绕碳纤维增强层，经加温固化成型的气瓶。

3.4一级损伤使用中发生的微小损伤。

超高分子量聚乙烯纤维的屈服应力

超高分子量聚乙烯纤维的屈服应力
超高分子量聚乙烯纤维（Ultra High Molecular Weight Polyethylene，简称UHMWPE）的屈服应力通常在不同的条件下会有所不同，取决于材料的制备方法和处理过程，以及试验条件等因素。

一般来说，UHMWPE纤维的屈服应力较低，通常在10-20 MPa之间。

这是由于其特殊的分子结构和高分子量导致了其高度结晶和长链聚乙烯（PE）单体的导向聚合。

这种结构使UHMWPE纤维具有优异的力学性能，如高拉伸强度和模量，同时具有低密度和低摩擦系数等特点。

然而，UHMWPE纤维的屈服应力也受到一些因素的影响，如纤维的晶化度、处理温度和压力、添加剂的类型和含量等。

通过对纤维的热处理、拉伸和表面改性等工艺可以改善其屈服应力。

此外，纤维的直径和纤维束的结构也会影响其屈服应力。

需要注意的是，UHMWPE纤维的屈服应力与其它纤维材料（如尼龙、聚酰胺等）相比较低，但其具有较高的持久性和耐磨性，在一些特殊领域（如防弹材料、切割防护等）中具有重要的应用价值。