纖維纏繞復(fù)合材料氣瓶的發(fā)展過(guò)程及其損傷檢測(cè)方法

沈書乾 覃榮江 段志宏 李程 齊洪洋

摘要：本文重點(diǎn)介紹纖維纏繞復(fù)合材料氣瓶的發(fā)展過(guò)程，并在此基礎(chǔ)上簡(jiǎn)單介紹聲發(fā)射用于其損傷檢驗(yàn)的先進(jìn)性。

關(guān)鍵詞：纖維；纏繞；復(fù)合材料；氣瓶；聲發(fā)射；損傷

中圖分類號(hào)：TQ050.4；TQ053.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1672-9129（2019）04-0045-04

Abstract： This paper focuses on the development of fiber-wound composite gas cylinders， and on this basis， briefly introduces the advanced nature of acoustic emission for its damage inspection.

Key words： fiber； winding； composite； gas cylinder； acoustic emission； damage

1 前言

隨著纖維纏繞復(fù)合材料殼體結(jié)構(gòu)使用需求的增大，纖維纏繞工藝也在快速發(fā)展，纖維纏繞殼體以其比強(qiáng)度比模量高、抗疲勞性好和低熱膨脹系數(shù)等優(yōu)點(diǎn)而備受推崇。早期的復(fù)合材料殼體研究主要集中在經(jīng)典力學(xué)分析方法上，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，采用以有限元法為代表的數(shù)值模擬方法對(duì)復(fù)合材料纏繞結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)性能研究已經(jīng)成為發(fā)展趨勢(shì)。

由于目前存在全球性的能源危機(jī)、環(huán)境污染和溫室效應(yīng)等問(wèn)題，氫能以其廣泛的優(yōu)點(diǎn)而被認(rèn)為是最有前景的下一代無(wú)污染能源，然而目前氫能的儲(chǔ)存問(wèn)題是氫能源能否被廣泛應(yīng)用的瓶頸之一，集中體現(xiàn)在了下述三方面：低溫儲(chǔ)氫技術(shù)、儲(chǔ)氫設(shè)備材料和氣體壓縮。當(dāng)前面臨著氫能源存儲(chǔ)應(yīng)用上的困難和制造成本過(guò)高等問(wèn)題，因此氫能源仍然未能在民用領(lǐng)域發(fā)揮其巨大的潛在價(jià)值。最早的用于纖維纏繞復(fù)合材料殼體結(jié)構(gòu)分析方法是網(wǎng)格理論分析方法。由于該方法忽略了復(fù)合材料中基體作用而將纖維增強(qiáng)體作為主承力部分，進(jìn)而成為工程領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛的簡(jiǎn)便方法。Leknitskii S G奠定了各向異性材料的力學(xué)研究基礎(chǔ)，針對(duì)基體作用對(duì)纖維纏繞復(fù)合材料纏繞殼體性能的影響不能被完全忽略，許多學(xué)者通過(guò)解析方法對(duì)不同載荷狀態(tài)下復(fù)合材料殼體建立了應(yīng)力分析模型，然而這期間大多數(shù)研究都有局限性，直到后來(lái)建立了取代應(yīng)力分析模型的基于控制方程的通用模型。盡管網(wǎng)格理論分析方法在爆破壓力預(yù)測(cè)等方面表現(xiàn)出良好的預(yù)測(cè)能力，但是由該方法所能獲得的參數(shù)十分有限并且因忽略基體作用而造成不可避免的誤差，因此亟需一種求解能力更強(qiáng)并且考慮基體作用的復(fù)合材料纏繞結(jié)構(gòu)的分析方法。

20世紀(jì)50年代發(fā)展起來(lái)的有限單元法已經(jīng)成為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)分析中強(qiáng)有力的工具，在解決各向異性材料的材料非線性、幾何非線性和邊界條件非線性方面表現(xiàn)出出色的求解能力。Hoa S V 等提出的三維有限單元模型在解決纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的應(yīng)變不連續(xù)問(wèn)題中起到了非常重要的作用，因此目前國(guó)際上有大量的基于有限元法的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)分析方面的研究。纖維纏繞復(fù)合材料氣瓶在生產(chǎn)加工、運(yùn)輸和使用過(guò)程中不可避免的會(huì)受到?jīng)_擊作用，沖擊作用造成的損傷是復(fù)合材料性能退化重要的原因之一。因而從設(shè)備防護(hù)和使用安全性角度考量，研究不同能量的沖擊作用、不同接觸面積的沖擊作用以及不同角度的沖擊作用等因素對(duì)纖維纏繞復(fù)合材料氣瓶造成的損傷，以及對(duì)存在這種沖擊損傷的復(fù)合材料氣瓶的剩余強(qiáng)度展開(kāi)研究是非常必要的。

聲發(fā)射（Acoustic Emission，簡(jiǎn)稱AE）是指物體在受到形變或外界作用時(shí)，因迅速釋放彈性能量而產(chǎn)生瞬態(tài)應(yīng)力波的物理現(xiàn)象。隨著聲發(fā)射研究領(lǐng)域的擴(kuò)大，聲發(fā)射的含義也已廣義化，如泄漏、軸承的滑動(dòng)、鉆井過(guò)程和木材干燥時(shí)發(fā)出的聲音等也被稱為AE[1]。

2 纖維纏繞氣瓶的發(fā)展

2.1 內(nèi)膽

內(nèi)膽不主要承載壓力，但卻是儲(chǔ)存液體，防止液體泄露，同時(shí)還是提供對(duì)外接口的載體，因內(nèi)膽此必須滿足高比屈服強(qiáng)度、質(zhì)量較輕、雙軸延展性、易加工成型、抗裂紋增長(zhǎng)性能和抗腐蝕性能高等要求[2]。

2.2 纖維

我們用的纖維主要是碳纖維，玻璃纖維和芳綸纖維。纖維纏繞層是承載壓力的主要纏繞層，一般的纏繞層可能承擔(dān)75%～95%的載荷。因此，纖維增強(qiáng)材料應(yīng)滿足高強(qiáng)度、高模量、低密度、樹(shù)脂浸潤(rùn)性好、熱穩(wěn)定性好、具有良好的纏繞工藝和纖維與基體的熱膨脹系數(shù)比較接近或一致等要求[3]。

2.3 基體材料

基體材料主要是起粘接纖維，保護(hù)纖維免受外界環(huán)境的損傷的作用，因此基體材料應(yīng)滿足濕熱性能好、良好的工藝性和一定的塑性和韌性等要求[4]。

根據(jù)纏繞氣瓶所用的原材料和工藝方法，復(fù)合材料的纏繞氣瓶可分為以下幾種類型：（1）金屬內(nèi)襯環(huán)向纏繞復(fù)合材料氣瓶：在內(nèi)壓作用下，圓筒形纏繞氣瓶的筒體段的環(huán)向應(yīng)力為軸向應(yīng)力的2倍。金屬氣瓶的薄厚只能按環(huán)向應(yīng)力計(jì)算。因此，我們需要提高復(fù)合材料纏繞氣瓶的環(huán)向承載能力。（2）金屬內(nèi)襯全纏繞復(fù)合材料氣瓶：對(duì)于金屬內(nèi)膽全纏繞復(fù)合氣瓶，復(fù)合材料承擔(dān)了大部分的內(nèi)壓載荷。其中金屬內(nèi)襯的厚度設(shè)計(jì)也分為承載和不承載兩種情況。即使內(nèi)膽承載一部分壓力，但是與復(fù)合材料相比也很小的部分。（3）塑料內(nèi)襯全纏繞復(fù)合材料氣瓶塑料內(nèi)襯是一類非承載內(nèi)襯，只起密封作用和作為纏繞的芯模。這類復(fù)合材料氣瓶與其它結(jié)構(gòu)的氣瓶相比重量最輕，制造成本低，投資少，容易滿足大容量要求，因此具有一定的市場(chǎng)潛力。但是這類氣密性和耐溫性能欠佳[5]。

3 國(guó)內(nèi)復(fù)合材料氣瓶的發(fā)展概況

纖維纏繞氣瓶目前在呼吸器纏繞氣瓶和車用壓縮天然氣纏繞氣瓶這兩個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。在20世紀(jì)50年代，纖維纏繞氣瓶是在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)合材料機(jī)殼技術(shù)中應(yīng)用。最早的時(shí)期，在橡膠內(nèi)膽上用玻纖浸漬環(huán)氧樹(shù)脂纏繞形成纏繞氣瓶，載重量方面，雖然橡膠內(nèi)膽比鋼質(zhì)內(nèi)膽較輕，但纏繞層的玻纖的抗應(yīng)力能力較低、靜態(tài)疲勞能力和氣體滲透率較大，所以早期的纏繞氣瓶需要的安全系數(shù)較高。之后到20世紀(jì)60年代開(kāi)始使用金屬內(nèi)膽，對(duì)于一部分內(nèi)膽足夠厚的氣瓶，便可以采用纖維全纏繞或環(huán)纏繞的形式。纖維纏繞氣瓶的金屬內(nèi)膽滲透率比橡膠內(nèi)膽的低，但金屬內(nèi)膽的壽命卻受到限制。一般金屬內(nèi)膽在100～1000次的循環(huán)后可能產(chǎn)生開(kāi)裂甚至到泄漏，而在10000～30000次的循環(huán)后厚壁內(nèi)膽可產(chǎn)生泄漏。在20世紀(jì)70年代，在鋁內(nèi)膽或鋼內(nèi)膽上纏繞玻璃纖維和芳綸纖維的纖維纏繞氣瓶在商用方面的應(yīng)用開(kāi)始有所增加，一般用于消防呼吸器、民用飛機(jī)滑梯充氣以及海軍救生筏充氣。在20世紀(jì)80年代，壓縮天然氣車用瓶成為纖維纏繞氣瓶的主要市場(chǎng)之一。在20世紀(jì)90年代，纖維纏繞氣瓶開(kāi)始使用新材料碳纖維，這是一個(gè)重大的發(fā)展。北京玻璃鋼研究設(shè)計(jì)院針對(duì)無(wú)焊縫鋁合金內(nèi)膽纖維纏繞氣瓶開(kāi)展了研究工作，在鋁合金內(nèi)膽的選材、成型方法和復(fù)合材料的選材及成型工藝方面取得了初步的研究成果。中國(guó)汽車工業(yè)總公司重慶汽車研究所對(duì)CNGV內(nèi)膽中可能影響鋼質(zhì)氣瓶的因素進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，在熱處理工藝、斷裂韌性、內(nèi)外表面的強(qiáng)化方法及力學(xué)性能各因素的研究取得了一定的研究成果；目前鋼制內(nèi)膽和纖維纏繞層的模量在疲勞試驗(yàn)中進(jìn)行的匹配問(wèn)題進(jìn)行了深入的研究，考慮表面殘余應(yīng)力，疲勞應(yīng)變和變形匹配及其疲勞模量，提出了提高纖維纏繞層的張力纏繞工藝。王榮國(guó)等提出了一種預(yù)測(cè)封頭部位纖維鋪層厚度分布的方法，以真實(shí)反映并建立壓力容器的有限元模型。王愛(ài)軍等運(yùn)用有限元的計(jì)算分析方法研究了復(fù)合材料圓管的能量吸收問(wèn)題，并與實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果較為吻合。楊樂(lè)等通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算和分析了在內(nèi)壓作用下的復(fù)合材料殼體封頭的變形，其結(jié)果與水壓試驗(yàn)大體符合。國(guó)外學(xué)者對(duì)復(fù)合材料氣瓶的研究較為深入，較多地研究分析了復(fù)合材料的性能或整個(gè)容器的各類極限問(wèn)題。李天明等計(jì)算了復(fù)合材料高壓氣瓶的封頭纖維應(yīng)力，從適用于短粗型復(fù)合材料壓力容器封頭設(shè)計(jì)計(jì)算的型面方程推導(dǎo)，提出了適合工程應(yīng)用的數(shù)值方法。陳汝訓(xùn)等把復(fù)合材料氣瓶的內(nèi)襯看成理想彈塑性材料，推導(dǎo)了復(fù)合材料氣瓶相關(guān)的計(jì)算公式，同時(shí)也提出了關(guān)于提高封頭疲勞工況下的強(qiáng)度的設(shè)計(jì)方法，證實(shí)了通過(guò)纏繞張力來(lái)提高復(fù)合材料強(qiáng)度的可行性。張國(guó)通過(guò)ANSYS對(duì)纖維纏繞復(fù)合材料氣瓶參數(shù)化建模，分析了復(fù)合容器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。婁小杰對(duì)具有球型封頭的復(fù)合材料壓力容器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了詳盡闡述，并對(duì)成型工藝等問(wèn)題做了探討。雷閩等為了確定復(fù)合材料氣瓶?jī)?nèi)膽出現(xiàn)鼓包、裂紋缺陷產(chǎn)生的原因，對(duì)復(fù)合氣瓶?jī)?nèi)膽材質(zhì)進(jìn)行力學(xué)性能、微觀分析、纏繞層和內(nèi)膽材料線膨脹系數(shù)測(cè)試。

4 國(guó)外復(fù)合材料聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)研究進(jìn)展

纖維纏繞氣瓶的國(guó)外發(fā)展概況如下：在20世紀(jì)60年代，纖維纏繞氣瓶在衛(wèi)星及航天應(yīng)用廣泛；在20世紀(jì)70年代，美國(guó)運(yùn)輸部批準(zhǔn)的玻纖和可夫拉（Keular）纖維的環(huán)纏繞氣瓶應(yīng)用于開(kāi)始投入民用市場(chǎng)。之后在民用商業(yè)市場(chǎng)開(kāi)始使用纖維纏繞氣瓶并且應(yīng)用比較廣泛[23]。在20世紀(jì)80年代開(kāi)始，大多數(shù)國(guó)家開(kāi)始陸續(xù)將復(fù)合材料纏繞氣瓶應(yīng)用于商業(yè)市場(chǎng)，其中呼吸器纏繞氣瓶成為復(fù)合材料氣瓶的最大市場(chǎng)。在20世紀(jì)90年代，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）和歐洲標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)（CEN）以及天然氣汽車聯(lián)盟聯(lián)合起草批準(zhǔn)了纖維纏繞氣瓶的標(biāo)準(zhǔn)，批準(zhǔn)塑料內(nèi)膽復(fù)合纖維纏繞氣瓶即四型瓶即將成為纏繞氣瓶的主要市場(chǎng)之一。目前，對(duì)復(fù)合材料CNG氣瓶的研究與開(kāi)發(fā)，美國(guó)科技公司、林肯公司和hdyorpsni公司走在世界的前列，他們已開(kāi)發(fā)出超過(guò)十余種不同規(guī)格的復(fù)合材料氣瓶。

Murray等運(yùn)用有限元軟件計(jì)算了多種不同尺寸的復(fù)合材料管的軸向失穩(wěn)載荷，并且闡述分析了有限元法計(jì)算的難點(diǎn)和計(jì)算時(shí)應(yīng)該注意的一些問(wèn)題。Kabir假設(shè)復(fù)合材料氣瓶的內(nèi)襯和復(fù)合材料層分別是理想彈塑性材料和彈性材料的情況下，考慮了復(fù)合材料層與內(nèi)襯邊界處的接觸應(yīng)力分布情形，并進(jìn)行接觸分析，計(jì)算了其封頭在等應(yīng)力條件下的強(qiáng)度。Chamis等分析了復(fù)合材料內(nèi)壓管件破壞失效的全過(guò)程，還研究了它的損傷容限問(wèn)題。

5 復(fù)合材料氣瓶的研究意義

國(guó)內(nèi)外有很多企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)從事復(fù)合材料氣瓶的研發(fā)與生產(chǎn)，國(guó)外的單位有美國(guó)SCI公司、俄羅斯依熱夫斯基鋼瓶有限公司、法國(guó)HM公司和美國(guó)John Hopkins大學(xué)等，國(guó)內(nèi)的單位有北京天海工業(yè)有限公司、蘇州中材科技有限公司、重慶益峰高壓容器有限責(zé)任公司和北京化工大學(xué)等。

復(fù)合材料容器應(yīng)用廣泛，但是，復(fù)合材料容易老化，耐沖擊性能差，使用中經(jīng)常出現(xiàn)裂紋、分層損傷，致使復(fù)合材料結(jié)構(gòu)性能下降，嚴(yán)重時(shí)造成重大經(jīng)濟(jì)損失，因此，在使用前和使用過(guò)程中的安全檢驗(yàn)和強(qiáng)度預(yù)報(bào)就顯得尤為重要。復(fù)合材料每種損傷形式對(duì)復(fù)合材料的整體性能都有不同程度的影響，所以復(fù)合材料特性的研究離不開(kāi)對(duì)這些損傷形式的研究，而每一種損傷在其發(fā)生、發(fā)展中都有明顯的聲發(fā)射特征。

6 結(jié)束語(yǔ)：

聲發(fā)射方法對(duì)于這些損傷過(guò)程的分析都非常及時(shí)、有效，恰當(dāng)?shù)氖褂寐暟l(fā)射技術(shù)，不但可以大大減少維修費(fèi)用，更可以用工廠設(shè)備的完善使用提供有力依據(jù)。所以聲發(fā)射技術(shù)是研究復(fù)合材料損傷、破壞機(jī)理及強(qiáng)度性能的最有效的方法之一。通過(guò)復(fù)合材料氣瓶研究，可以在碳纖維復(fù)合材料容器損傷過(guò)程中聲源發(fā)射機(jī)理、聲源特性以及聲波的傳播過(guò)程的研究，碳纖維復(fù)合材料容器損傷聲發(fā)射信號(hào)的處理技術(shù)研究等方面取得進(jìn)一步的發(fā)展，為碳纖維復(fù)合材料容器結(jié)構(gòu)完整性評(píng)價(jià)提供科學(xué)的理論依據(jù)。目前，中國(guó)石油吉林石化股份有限公司有意致力于國(guó)產(chǎn)碳纖維大型復(fù)合材料CNG氣瓶的研發(fā)與應(yīng)用，正在準(zhǔn)備開(kāi)展這方面的研究工作。實(shí)驗(yàn)表明外層纖維作為主要的承載體，承載著絕大部分的壓力載荷（75%～95%），通常釆用玻璃纖維環(huán)氧樹(shù)脂或碳纖維環(huán)氧樹(shù)脂高性能復(fù)合材料。

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