纏繞層表面缺陷對(duì)CNG-2復(fù)合氣瓶爆破壓力的影響

李 斌，馬 凱，由宏新

(1.國(guó)家壓縮天然氣氣瓶質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，重慶 401120;2.大連理工大學(xué) 化機(jī)學(xué)院，遼寧 大連 116024)

0 引言

利用高強(qiáng)度纖維對(duì)壓力容器進(jìn)行纏繞并固化，可以得到復(fù)合材料制作的壓力容器。由于復(fù)合材料具有諸多優(yōu)點(diǎn)，例如比強(qiáng)度高、比模量大、可設(shè)計(jì)性、抗疲勞性能、破損安全性能及工藝性好等［1］，因此可以大幅度提高容器整體性能，使得復(fù)合材料壓力容器在社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用［2-3］，纖維環(huán)纏繞復(fù)合氣瓶(CNG-2型復(fù)合氣瓶)就是一種典型的復(fù)合壓力容器。但復(fù)合材料也有表面硬度低、易劃痕、耐磨性差等缺點(diǎn)［4］，導(dǎo)致CNG-2型復(fù)合氣瓶在生產(chǎn)和使用過程中，在表面纖維纏繞層產(chǎn)生損傷缺陷，且據(jù)觀察，損傷的類型一般為小范圍的劃傷或者磨損。GB 24162—2009《汽車用壓縮天然氣金屬內(nèi)膽纖維環(huán)纏繞氣瓶定期檢驗(yàn)與評(píng)定》［5］規(guī)定，對(duì)于劃傷和磨損兩種類型的表面損傷，允許的可修復(fù)的復(fù)合材料纏繞層缺陷深度為1.25 mm。在日常的氣瓶檢測(cè)和報(bào)廢判定中，往往并沒有嚴(yán)格按照這一標(biāo)準(zhǔn)來執(zhí)行，通常是按照經(jīng)驗(yàn)來判廢，同時(shí)這一規(guī)定缺乏嚴(yán)格的計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證，極有可能存在著缺陷深度超過1.25 mm，但是復(fù)合氣瓶仍然具有較大的剩余強(qiáng)度的可能［6］。因此，考察帶有一定尺寸表面缺陷的復(fù)合氣瓶的損傷容限與剩余強(qiáng)度，可以抑制對(duì)復(fù)合氣瓶的不合理報(bào)廢，更為重要的是通過考察帶有一定尺寸表面缺陷的復(fù)合氣瓶爆破，并分析其爆破的原因，有利于了解帶缺陷氣瓶的安全性能，方便對(duì)帶缺陷纏繞氣瓶的安全管理，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析可得出復(fù)合氣瓶的損傷容限。

現(xiàn)階段，已有很多資料對(duì)復(fù)合材料的表面缺陷和損傷進(jìn)行了研究［7-9］，文中只針對(duì) CNG-2復(fù)合氣瓶，為了得出復(fù)合層表面缺陷對(duì)于復(fù)合氣瓶的影響，從試驗(yàn)和數(shù)值模擬兩個(gè)方面進(jìn)行研究。試驗(yàn)就是對(duì)帶有表面缺陷的復(fù)合氣瓶進(jìn)行水壓爆破，以獲得帶缺陷的復(fù)合氣瓶的極限載荷。纏繞氣瓶結(jié)構(gòu)復(fù)雜，要準(zhǔn)確了解帶缺陷氣瓶的爆破原因，需要對(duì)帶缺陷氣瓶進(jìn)行合理的數(shù)值分析。數(shù)值模擬就是利用有限元數(shù)值模擬軟件ANSYS對(duì)帶缺陷復(fù)合氣瓶進(jìn)行模擬仿真，以確定缺陷對(duì)于復(fù)合氣瓶爆破壓力影響的原因［10-11］。

文中在對(duì)帶有表面缺陷的復(fù)合氣瓶進(jìn)行水壓爆破試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，利用ANSYS軟件，分析帶有表面缺陷的氣瓶的應(yīng)力場(chǎng)，通過對(duì)應(yīng)力的分析，得出水壓爆破纏繞氣瓶所帶缺陷對(duì)氣瓶纏繞層、內(nèi)膽兩個(gè)部分應(yīng)力的影響，同時(shí)解釋帶有表面缺陷的復(fù)合氣瓶爆破壓力降低的原因。文中根據(jù)對(duì)氣瓶表面缺陷的檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)，將表面缺陷簡(jiǎn)化為一定深度、長(zhǎng)度、寬度的矩形槽。

1 試驗(yàn)方法及過程

對(duì)帶有表面損傷復(fù)合氣瓶爆破壓力的測(cè)試采用水壓爆破的方法，試驗(yàn)裝置如圖1所示。升壓采用G300LVE氣驅(qū)泵，采用壓力傳感器測(cè)量加壓過程中的壓力，其量程為0～150 MPa，精度為0.5級(jí)，壓力表量程為0～160 MPa，精度為1.6級(jí)。利用相應(yīng)的軟件真實(shí)記錄爆破試驗(yàn)過程中的壓力變化。

圖1 氣瓶爆破試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)選用的CNG-2復(fù)合氣瓶，采用某廠家生產(chǎn)的φ406復(fù)合氣瓶，其內(nèi)襯尺寸見圖2，纖維層厚度8.4 mm，容積100 L，內(nèi)襯材料30CrMo，復(fù)合材料為ECR560-2400玻璃纖維/環(huán)氧樹脂，其抗拉強(qiáng)度保證值≥995 MPa，內(nèi)膽和復(fù)合層纖維材料力學(xué)性能如表1所示，復(fù)合材料性能參數(shù)如表2所示。已知不帶缺陷時(shí)氣瓶的水壓爆破壓力為50～55 MPa。

復(fù)合氣瓶的表面缺陷類型為矩形槽，缺陷位置位于復(fù)合氣瓶筒體的中部，劃傷沿著筒體軸向，劃傷深度2 mm，長(zhǎng)度50 mm，寬度3.5 mm，如圖3所示。

表1 內(nèi)膽和復(fù)合層纖維材料性能

表2 玻纖/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料性能參數(shù)

圖2 復(fù)合氣瓶?jī)?nèi)襯的尺寸示意

圖3 試驗(yàn)用氣瓶表面的矩形槽損傷設(shè)置

試驗(yàn)具體步驟為:先將帶劃傷缺陷的氣瓶注滿水，裝好接頭，爆破機(jī)加水壓排氣，然后開始加壓，觀察到在43 MPa左右時(shí)，復(fù)合氣瓶的纏繞層在矩形槽缺陷處首先斷開，此時(shí)壓力下降，之后壓力出現(xiàn)波動(dòng)升降，纏繞層繼續(xù)斷裂，有“噼啪”聲。最后，在約26 MPa時(shí)內(nèi)膽破裂。復(fù)合氣瓶爆破后的形狀如圖4所示。對(duì)爆破的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，得出爆破試驗(yàn)的時(shí)間—壓力曲線圖，如圖5所示。

圖4 爆破后的氣瓶

從試驗(yàn)中可以得出，帶有深2 mm、長(zhǎng)50 mm、寬3.5 mm的矩形槽缺陷的復(fù)合氣瓶的爆破壓力為43.87 MPa。比較相同尺寸下無缺陷的復(fù)合氣瓶的爆破壓力可以看出，帶有表面矩形槽型缺陷的復(fù)合氣瓶的爆破壓力有了明顯的下降。

圖5 爆破試驗(yàn)的時(shí)間—壓力曲線

2 有限元分析

2.1 模型的建立

因缺陷位于筒體中部，且開槽方向沿氣瓶軸向，同時(shí)考慮到缺陷對(duì)于氣瓶的影響范圍是局部的，因此只建立帶有缺陷的1/2模型。計(jì)算選用的CNG-2復(fù)合氣瓶的幾何結(jié)構(gòu)與材料性能與前述爆破試驗(yàn)中所用的氣瓶相同。帶缺陷復(fù)合氣瓶的幾何模型見圖6。

圖6 帶缺陷的復(fù)合氣瓶的幾何模型

利用有限元軟件ANSYS進(jìn)行模擬計(jì)算，需根據(jù)模型的材料來選擇對(duì)應(yīng)的單元。由于內(nèi)襯為各項(xiàng)同性材料，而纏繞層可以看作是正交各向異性材料，因此內(nèi)襯選用8節(jié)點(diǎn)的各項(xiàng)同性單元Solid 45來模擬，復(fù)合纏繞層選用8節(jié)點(diǎn)的各項(xiàng)異性單元Solid 64來模擬。因氣瓶為環(huán)向纏繞，故在建模時(shí)可將復(fù)合材料纏繞層當(dāng)作整塊的各項(xiàng)異性層合板來處理，在建模時(shí)調(diào)整纏繞層單元坐標(biāo)系的x軸沿著纖維方向。有限元模型見圖7。

圖7 模型的網(wǎng)格劃分

2.2 約束和載荷設(shè)置

由于在計(jì)算中采用1/2模型，氣瓶的邊界條件設(shè)置為:在氣瓶模型的剖面上施加對(duì)稱約束，在氣瓶的接嘴端面施加等效拉應(yīng)力，瓶底施加軸向位移為零的位移約束。

載荷的施加不僅要考慮氣瓶在工作中的正常承載情況，而且應(yīng)該考慮氣瓶加工生產(chǎn)的工藝過程，這其中最重要的是自緊處理。自緊是保證復(fù)合氣瓶纏繞層發(fā)揮高強(qiáng)度特性的重要措施，其具體操作是在氣瓶使用前進(jìn)行加壓處理，直到內(nèi)襯達(dá)到一定程度的屈服，然后卸載，這樣就使得卸載后的塑性區(qū)形成殘余壓應(yīng)力，彈性區(qū)中形成殘余拉應(yīng)力［12］。計(jì)算中的自緊壓力按照原氣瓶生產(chǎn)廠家的工藝過程設(shè)置，為34 MPa。為了方便計(jì)算之后的爆破壓力，在最后一個(gè)載荷步中設(shè)置一個(gè)較大的載荷，保證設(shè)置的這一載荷大于氣瓶的爆破壓力，文中設(shè)置為65 MPa。氣瓶的工作壓力為20 MPa。整個(gè)計(jì)算過程中載荷的設(shè)置步驟為:0 MPa→34 MPa→0 MPa→20 MPa→65 MPa，即先從零壓開始加壓到34 MPa的自緊壓力，然后卸載到零壓，再加載至20 MPa的工作壓力，最后加載至65 MPa，這其中的每個(gè)載荷步又設(shè)置一定的子步數(shù)，以保證載荷是逐漸加載的。

2.3 有限元計(jì)算爆破壓力

利用數(shù)值計(jì)算方法計(jì)算復(fù)合氣瓶的爆破壓力，首先需要確定爆破準(zhǔn)則，常采用的準(zhǔn)則包括最大應(yīng)力準(zhǔn)則和最大應(yīng)變準(zhǔn)則等。文獻(xiàn)［13］通過計(jì)算得出最大應(yīng)變準(zhǔn)則比最大應(yīng)力準(zhǔn)則的精度高的結(jié)論，同時(shí)考慮到缺陷的存在使得氣瓶的結(jié)構(gòu)不連續(xù)，有可能在缺陷局部產(chǎn)生應(yīng)力奇異性，利用應(yīng)力來考察會(huì)不準(zhǔn)確，故采用最大應(yīng)變準(zhǔn)則進(jìn)行判斷。同類復(fù)合氣瓶的多次爆破試驗(yàn)表明，氣瓶爆破時(shí)環(huán)向纏繞層斷裂應(yīng)變?yōu)榧兝w維的85%，螺旋纏繞復(fù)合層的斷裂應(yīng)變約為純纖維的75%［13-16］。

最大應(yīng)變準(zhǔn)則其判斷依據(jù)［17-18］:

式中 εt——環(huán)向纖維層最大應(yīng)變

純玻璃纖維的斷裂應(yīng)變根據(jù)廠家提供為3%，故環(huán)向纖維的斷裂應(yīng)變?yōu)?.0255。

對(duì)帶有深2 mm、長(zhǎng)50 mm、寬3.5 mm的矩形槽缺陷的復(fù)合氣瓶進(jìn)行有限元計(jì)算，得出其纏繞層應(yīng)變隨載荷的變化關(guān)系曲線如圖8所示。

圖8 纏繞層應(yīng)變隨載荷的變化關(guān)系曲線

從圖8可以看出，對(duì)應(yīng)于斷裂應(yīng)變?yōu)?.0255的載荷大小為44.67 MPa，因此帶有深2 mm、長(zhǎng)50 mm、寬3.5 mm矩形槽缺陷的復(fù)合氣瓶的爆破壓力為44.67 MPa。圖中縱坐標(biāo)的起點(diǎn)不為0，是因?yàn)橹暗淖跃o處理使得纏繞層已經(jīng)產(chǎn)生了部分的變形。

比較試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值計(jì)算結(jié)果可以得出兩者的誤差為1.82%，即說明數(shù)值計(jì)算結(jié)果是準(zhǔn)確的，也說明了建模是合理的。為了解釋帶有缺陷復(fù)合氣瓶爆破壓力降低這一現(xiàn)象，應(yīng)從應(yīng)力分析角度入手，分別分析氣瓶?jī)?nèi)襯和纏繞層應(yīng)力的分布和大小。

2.4 應(yīng)力分析

根據(jù)2.3節(jié)中計(jì)算得出的氣瓶爆破壓力為44.67 MPa，考察即將加載至爆破壓力情況下的復(fù)合氣瓶的應(yīng)力分布情況，氣瓶?jī)?nèi)襯筒體的Mises應(yīng)力云圖如圖9所示。纏繞層的環(huán)向應(yīng)力云圖如圖10所示。

圖9 內(nèi)襯筒體的Mises應(yīng)力云圖

從圖9可以看出，在纏繞層外表面存在長(zhǎng)50 mm、深2 mm的矩形槽缺陷、載荷即將達(dá)到爆破壓力的情況下，內(nèi)襯上的Mises應(yīng)力最大點(diǎn)位于內(nèi)襯筒體中部?jī)?nèi)表面處，為769.65 MPa，其值小于內(nèi)襯材料的強(qiáng)度極限，因此在這一載荷下內(nèi)襯不會(huì)發(fā)生危險(xiǎn)。但是比較應(yīng)力最大點(diǎn)和其他位置點(diǎn)的應(yīng)力可以發(fā)現(xiàn)，它們的值相差非常小，僅為1～2 MPa左右，這就說明纏繞層的表面缺陷對(duì)內(nèi)襯應(yīng)力的影響非常有限。

從圖10可以看出，纏繞層上環(huán)向應(yīng)力最大點(diǎn)位于矩形槽缺陷處，環(huán)向應(yīng)力值為1019 MPa，已經(jīng)大于纏繞層復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度保證值995 MPa，且應(yīng)力最大點(diǎn)的應(yīng)力值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)離缺陷區(qū)域的應(yīng)力值，因此在這一點(diǎn)纏繞層首先發(fā)生斷裂，這也和試驗(yàn)觀察到的現(xiàn)象是一致的，故可以認(rèn)為，長(zhǎng)50 mm、深2 mm的矩形槽型表面缺陷對(duì)于復(fù)合材料纏繞層的影響非常大，而復(fù)合氣瓶爆破壓力的減小也是由于在缺陷處應(yīng)力最大點(diǎn)的應(yīng)力超出了纏繞層復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度保證值而導(dǎo)致的。

圖10 纏繞層的環(huán)向應(yīng)力云圖

3 結(jié)語

對(duì)鋼內(nèi)膽環(huán)纏繞中部、纏繞層外表面帶有50 mm×3.5 mm×2 mm缺陷的氣瓶進(jìn)行水壓爆破試驗(yàn)，纏繞層在43.87 MPa下首先在缺陷處翹起斷裂，而后內(nèi)膽才破裂，纏繞層缺陷的存在使得復(fù)合氣瓶的爆破壓力有較大的降低。經(jīng)有限元數(shù)值模擬得出纏繞層在44.67 MPa下破壞，與試驗(yàn)的誤差為1.82%，說明數(shù)值計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確。爆破壓力降低的原因是缺陷的存在使得纏繞層缺陷處的應(yīng)力變大，超過了復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度保證值所致。缺陷對(duì)于內(nèi)襯應(yīng)力的影響較小，僅為1～2 MPa。

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