白文怡,廖英強,劉勇瓊,張宏亮
(西安航天復(fù)合材料研究所,西安 710025)
隨著社會經(jīng)濟的高速發(fā)展,高壓氣體存儲的需求越發(fā)強烈,氣瓶作為一種儲氣壓力容器,被廣泛應(yīng)用于航空、航天、化工、汽車等領(lǐng)域,市場對氣瓶需求量也在逐年持續(xù)的增長。氣瓶按制造方法分類可分為:金屬焊接氣瓶,金屬無縫氣瓶和復(fù)合材料纏繞氣瓶,其中碳纖維復(fù)合材料纏繞氣瓶是近幾十年來氣瓶發(fā)展中一種新的類型。復(fù)合材料氣瓶的應(yīng)用起始于20 世紀40 年代的美國武器系統(tǒng),隨后的幾十年,該項技術(shù)逐漸在各國被重視,研究者們以輕質(zhì)高強為研究目標,開始了針對其結(jié)構(gòu)與材料的優(yōu)化探索,直至今日,該類氣瓶已經(jīng)具有一個較為穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)形式:通常其內(nèi)層為金屬或特殊非金屬材料做成的內(nèi)襯,外層為由復(fù)合材料纖維與樹脂基體構(gòu)成的增強材料,整體形狀為兩端具有半球形或橢球形封頭的圓柱體,也有一些氣瓶并沒有圓柱段筒身,整體呈現(xiàn)為球形。碳纖維復(fù)合材料纖維纏繞氣瓶的纖維增強層承受著絕大部分來自于氣瓶內(nèi)部的載荷,而內(nèi)襯主要起到密封和防腐的作用。
碳纖維復(fù)合材料纏繞氣瓶通常具有以下優(yōu)點[1]:(1)質(zhì)量輕、剛性好、強度高、壽命長;(2)斷裂韌性高。增強纖維與樹脂基體構(gòu)成的纏繞層可有效傳遞載荷,過載時,少量纖維發(fā)生斷裂,載荷會被重新分配到臨近的未發(fā)生破壞的纖維上,從而阻止了突發(fā)性大面積破壞的產(chǎn)生;(3)安全性好。在受到?jīng)_擊時,損傷破壞表現(xiàn)為基體開裂,纖維斷裂分層等形式,但不會產(chǎn)生爆炸碎片,降低了對人員發(fā)生傷害的可能;(4)耐腐蝕性強。復(fù)合材料層由于其自身的特性,不需要經(jīng)過二次處理即可滿足耐腐蝕要求。
近年來,隨著技術(shù)不斷發(fā)展與完善,復(fù)合材料氣瓶表現(xiàn)出了低質(zhì)量,低成本,高強度,高可靠的優(yōu)異特性,在航空航天業(yè)扮演重要角色的同時,也逐漸走向民用市場,推動著社會經(jīng)濟的高度發(fā)展。
在航天領(lǐng)域[2][3][4],SCI 公司作為碳纖維復(fù)合材料氣瓶研制的先驅(qū),為航天各系統(tǒng)生產(chǎn)了一系列的壓力氣瓶,其部分產(chǎn)品參數(shù)如表1 所示:
表1 SCI生產(chǎn)的部分碳纖維復(fù)合材料壓力氣瓶性能Table 1 Performance of some carbon fiber composite pressure cylinders produced by SCI
Brunswick 公司研制了容積49.11L,最大工作壓力27.58MPa,質(zhì)量9.05kg 的球形T40 碳纖維/6061 鋁合金氣瓶,目前用于FS-1300 衛(wèi)星平臺。Matra Marconi 和ARDE 公司聯(lián)合研制了容積97L,最大工作壓力31MPa,質(zhì)量18.3kg 的圓柱形碳纖維/Incinel 氣瓶,目前用于歐洲星2000 飛行器;ARDE公司研制了容積57.87L,最大工作壓力31MPa,球形IM7/301CRES 氣瓶,目前用于軍事空間計劃;Lincoln 公司研制了容積10.9L,最大工作壓力41.37MPa,球形T40/5086Al 氣瓶,目前用于深空計劃;Kaiser 公司研制了容積32.5L,工作壓力17.24MPa的圓錐形T1000 碳纖維/鈦氣瓶,目前用于氙離子推進系統(tǒng);ATK-PSI 公司研制了T1000/Ti 圓柱氣瓶,目前應(yīng)用于ESA Vega 火箭推進系統(tǒng);此外,復(fù)合材料氣瓶還在航天飛機、火星觀察者等空間系統(tǒng)中發(fā)揮著作用。目前,我國戰(zhàn)略防御、運載火箭、探月工程等系統(tǒng)也均采用了先進的碳纖維纏繞復(fù)合材料氣瓶。
在航空領(lǐng)域[2][3][4],SCI 公司的碳纖維/6061-T62系列鋁合金復(fù)合材料氣瓶應(yīng)用在多種型號的飛機上,例如,應(yīng)用于輕型轟炸機緊急壓縮系統(tǒng)(EPU) 的ATL-531A 復(fù)合材料氣瓶,應(yīng)用于戰(zhàn)斗機能量存儲系統(tǒng)(SES) 的ATL-383A 復(fù)合材料氣瓶,應(yīng)用于輕型飛機壓縮空氣引擎啟動系統(tǒng)(PASS)的AC-5022 復(fù)合材料氣瓶。我國航空碳纖維復(fù)合材料氣瓶現(xiàn)以在多個型號上取得成功,具有一定技術(shù)水平,但與國外相比無論是技術(shù)先進性還是應(yīng)用比重仍然具有一定差距。
在民用領(lǐng)域[2][5],碳纖維復(fù)合材料氣瓶主要應(yīng)用于呼吸器,車載天然氣氣瓶以及壓縮氣體和液化氣體用纖維纏繞氣瓶三大領(lǐng)域,并在領(lǐng)域內(nèi)發(fā)展出比較完善的標準(表2)
表2 民用纖維復(fù)合材料氣瓶標準Table 2 Standard for civil fiber composite gas cylinders
碳纖維復(fù)合材料纏繞氣瓶結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜,不同的結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)直接影響著產(chǎn)品的力學(xué)性能,針對碳纖維復(fù)合材料纏繞氣瓶的優(yōu)化設(shè)計是當(dāng)下該領(lǐng)域研究的重點問題。優(yōu)化設(shè)計的基本思想是指在滿足一定指標的情況下,建立優(yōu)化模型,針對目標函數(shù)采取最優(yōu)設(shè)計[1]。通過更加合理高效的利用纖維的性能,碳纖維復(fù)合材料纏繞氣瓶可從結(jié)構(gòu)與性能優(yōu)化、自緊壓力優(yōu)化和質(zhì)量優(yōu)化等方面獲得性能更優(yōu)、質(zhì)量更小的產(chǎn)品,從而提高其產(chǎn)品的競爭優(yōu)勢。
如圖1 所示,碳纖維復(fù)合材料纏繞氣瓶通過預(yù)先加載壓力,金屬內(nèi)襯會進入塑性狀態(tài),當(dāng)壓力被卸載之后,內(nèi)襯產(chǎn)生殘余應(yīng)力,與碳纖維層之間相互作用,此時內(nèi)襯受壓,纖維層受拉,兩者的達到一個平衡狀態(tài)。氣瓶工作時,內(nèi)襯來自內(nèi)部的拉應(yīng)力和自緊產(chǎn)生的壓應(yīng)力部分抵消,從而使得內(nèi)襯所受最大應(yīng)力降低,復(fù)合纖維纏繞層應(yīng)力提高,自緊壓力改善了內(nèi)襯和纖維層的應(yīng)力分布狀況,可更好地發(fā)揮兩者的性能。
圖1 自緊壓力原理圖Fig. 1 autofrettage pressure schematic diagram
鋪層順序是影響自緊壓力大小的一個重要因素,李小明[6]等從復(fù)合材料纏繞氣瓶鋪層順序著手,采取不同組合鋪層方案,將工作壓力下內(nèi)襯應(yīng)力最小作為目標優(yōu)化函數(shù),鋪層角度余角和自緊壓力作為狀態(tài)變量,通過模擬試驗得出了自緊壓力、纏繞角余角和內(nèi)襯應(yīng)力與鋪層順序關(guān)系圖。根據(jù)關(guān)系圖綜合選取最佳優(yōu)化設(shè)置后,自緊壓力增加了10%,鋪層角度增加了20%,而工作壓力下氣瓶內(nèi)襯應(yīng)力減少了25%,該優(yōu)化方法有一定效果,但過程較為復(fù)雜,且優(yōu)化結(jié)果難以控制。
金屬內(nèi)襯屈服率在自緊過程中會產(chǎn)生變化,繼而自緊壓力的選取,張傳勇[7]等建立有限元分析模型,計算內(nèi)膽的屈服率這一系列步驟,提出了以屈服率達到60%為判據(jù),確定CNG2 型氣瓶自緊壓力的方法。這種方法使得金屬內(nèi)襯屈服率變化的問題得到一定程度的解決,但優(yōu)化結(jié)果不夠精確 , 同時也并非最佳自緊壓力。
孫直[8]等以薄壁容器理論為基礎(chǔ),假設(shè)并驗證了卸載后內(nèi)襯殘余應(yīng)變?yōu)榱?,同時給出了金屬內(nèi)襯考慮隨動強化效應(yīng)和等向強化影響時的自緊壓力修正公式。如圖2 所示,針對同一算例,使用該方法實施自緊工藝后,氣瓶工作狀態(tài)下直筒段內(nèi)襯應(yīng)力為60MPa左右,而未采取該方法時內(nèi)襯應(yīng)力在120MPa 以上。但是這種方法在分析過程中并沒考慮氣瓶封頭的對整體力學(xué)性能的影響,還有待進一步改進。
圖2 經(jīng)自緊工藝后, 工作壓力下容器內(nèi)襯的應(yīng)力分布Fig. 2 Stress distribution of vessel lining under working pressure after autofrettage
自緊壓力的變化會影響內(nèi)襯以及纖維受力,謝志剛[9]等通過對碳纖維復(fù)合材料纏繞氣瓶施加不同的自緊壓力,得到了自緊壓力下零壓內(nèi)襯最大切向應(yīng)力、工作內(nèi)襯最大Von-Mises 應(yīng)力曲線、纖維應(yīng)力比曲線曲線。
圖3 自緊壓力下零壓內(nèi)襯最大切向應(yīng)力曲線Fig. 3 Maximum tangential stress curve of zero pressure lining under autofrettage pressure
圖4 自緊壓力下工作內(nèi)襯最大Von-Mises應(yīng)力曲線Fig. 4 Maximum Von-Mises stress curve of working lining under autofrettage pressure
圖5 自緊壓力下纖維應(yīng)力比曲線Fig. 5 Stress ratio curve of fiber under autofrettage pressure
由圖3,4,5 可以看出:零壓力下,內(nèi)襯最大切向應(yīng)力與自緊壓力正相關(guān);在一定范圍內(nèi),適當(dāng)提高自緊壓力可以降低內(nèi)襯在工作壓力下的Von-Mises應(yīng)力;隨著自緊壓力的增大,纖維應(yīng)力比呈下降趨勢。在保證最小纖維應(yīng)力比的基礎(chǔ)上,盡可能降低內(nèi)膽在工作壓力下 Von -Mises 應(yīng)力幅值可提高氣瓶的疲勞強度。該方法探究了自緊壓力與內(nèi)襯和纖維受力的影響關(guān)系,采用這種自緊壓力優(yōu)化方式可增強氣瓶安全性并顯著提升其承載能力和抗疲勞能力。
郭亞芳[10]等所做工作與謝志剛類似,通過繪制分析自緊壓力下工作狀態(tài)最大層間應(yīng)力曲線(圖6)和纖維應(yīng)力比曲線(圖7),得出結(jié)論:隨著自緊壓力的增大,工作壓力下纖維層之間的最大剪切應(yīng)力也增大,而纖維應(yīng)力比減小,且逐減趨于穩(wěn)定。
圖6 自緊壓力下的工作狀態(tài)最大層間應(yīng)力Fig. 6 Maximum interlaminar stress in working state under autofrettage pressure
圖7 自緊壓力下的纖維應(yīng)力比Fig. 7 Fiber stress ratio under autofrettage pressure
研究還指出,影響氣瓶壽命最關(guān)鍵的因素是應(yīng)力幅,氣瓶的壽命隨著應(yīng)力幅的增大而減小;當(dāng)應(yīng)力幅不變時,氣瓶壽命隨著平均應(yīng)力的增大而減??;自緊壓力的變化對應(yīng)力幅的變化影響甚微,但對環(huán)向平均應(yīng)力的影響較大。該方法在探究自緊壓力優(yōu)化的同時,通過引入對應(yīng)力幅的研究,找到了影響氣瓶壽命的關(guān)鍵因素。
Son D S[11]等采用基于層數(shù)的碳纖維復(fù)合材料層建模技術(shù)對壓力容器進行建模,運用有限元分析方法對容器的應(yīng)力進行了精確計算,推導(dǎo)出了纖維的輪廓函數(shù),并利用該函數(shù)精確估計出了纖維在一定纏繞角下的準確面積覆蓋范圍。分析結(jié)果表明:隨著自緊壓力的增大,內(nèi)襯的永久體積膨脹減小,殘余應(yīng)力增大,從而提高了壓力容器的結(jié)構(gòu)性能。該方法可用于III 型壓力容器的優(yōu)化設(shè)計來分析復(fù)合材料氣瓶內(nèi)襯和纏繞層的應(yīng)力分布情況,進而確定最佳的自緊壓力。
航空航天領(lǐng)域?qū)τ谫|(zhì)量問題異常敏感,其他條件不變的情況下,產(chǎn)品質(zhì)量越輕,飛行器的飛行距離越遠,性能也就越好,因此,質(zhì)量也成為了復(fù)合材料纏繞氣瓶設(shè)計過程中的重要指標。對于氣瓶來說,在保證氣瓶強度要求的基礎(chǔ)上,優(yōu)化纏繞結(jié)構(gòu),降低纖維層厚度,減少纖維材料使用,不僅可以減輕質(zhì)量,還可以節(jié)約材料成本,有效提升其經(jīng)濟性。
在氣瓶纏繞過程中,纖維纏繞角度和纖維纏繞厚度是影響氣瓶整體質(zhì)量的關(guān)鍵因素,Alexis.A.K[12]等提出了一種在應(yīng)變和強度約束下復(fù)合材料層壓氣瓶優(yōu)化的新的方法,以一種圖形化的分析方法求得復(fù)合材料纖維纏繞最佳角度和給定纖維角度下的最佳層厚,由此可對氣瓶質(zhì)量做出優(yōu)化。
傅強[13]等從另一種角度出發(fā),首先建立氣瓶整體的優(yōu)化模型,以氣瓶施加內(nèi)襯直徑D0 為變量參數(shù),確定了使得氣瓶質(zhì)量最小的目標函數(shù),然后對其施加了容積約束條件、應(yīng)力約束條件、阻隔性約束條件、加工工藝約束條件,后期通過Matlab 程序,計算得出最佳內(nèi)襯直徑D0,并同時得到了容器的纏繞角度、各纏繞層厚度、鋪層順序、基孔直徑、容器總質(zhì)量等參數(shù),最終確定了容器最終的優(yōu)化方案。這種方法對氣瓶整體設(shè)計參數(shù)控制能力較強,在設(shè)計的同時,即可對氣瓶做出優(yōu)化,是一種較為便捷設(shè)計方法。
王志輝[14]等從碳纖維層的鋪層厚度與鋪層角度出發(fā),采取變角度變厚度的思路,利用ANSYS 仿真軟件,參照DOT-CFFC 標準對氣瓶應(yīng)力分布的要求為約束條件,對復(fù)合材料纏繞氣瓶具體算例進行了建模與分析,采用這種優(yōu)化方法,纖維強度轉(zhuǎn)換率得到明顯提高,最終復(fù)合材料層體積降低了24%,氣瓶整體的的容積質(zhì)量提升了13%,效果顯著。
KANG M C[15]等以II 型天然氣瓶為例,采用有限元分析方法,對封頭的結(jié)構(gòu)形狀和厚度做出了優(yōu)化,提出了最適合II 型天然氣儲罐的封頭形狀,并確定了各部分最小厚度順序:金屬內(nèi)襯,復(fù)合材料以及封頭部位。針對具體案例,使用新結(jié)構(gòu)形狀的封頭比之重量減小了5.1%。
在質(zhì)量優(yōu)化過程中,優(yōu)化計算過程通常較為繁瑣復(fù)雜,邊文鳳[16]等依據(jù)"網(wǎng)格理論[17][18][19]”,以獲得最輕質(zhì)量為目標,給出目標函數(shù)得到最大容積質(zhì)量比,同時以安全性為約束條件,給出約束函數(shù)得到最大爆破壓力。優(yōu)化過程中,采用序列二次規(guī)劃(SQP)算法代替?zhèn)鹘y(tǒng)的積分方法,對復(fù)合材料氣瓶進行整體優(yōu)化,最后得到相應(yīng)纏繞角下最優(yōu)的層厚以及最大的體積質(zhì)量比,實現(xiàn)了CNG 氣瓶的質(zhì)量優(yōu)化的目的。二次規(guī)劃(SQP)算法的應(yīng)用,大大降低了計算難度,加速了優(yōu)化流程,具有一定的參考價值。
ZHENG[20][21]等同樣優(yōu)化了計算方法,團隊基于生物學(xué)原理,分別提出了人工免疫系統(tǒng)算法(AIS)與自適應(yīng)遺傳算法(AGA)對鋁-碳纖維/環(huán)氧復(fù)合儲氫容器在爆破壓力約束下的重量進行優(yōu)化設(shè)計。該優(yōu)化算法以質(zhì)量作為目標函數(shù),在保證爆破壓力的前提下,得出使得氣瓶質(zhì)量最小狀況下的纖維纏繞厚度與纏繞角,并將這兩種算法計算結(jié)果與簡單遺傳算法(GA)和蒙特卡羅優(yōu)化方法(MC)的計算結(jié)果進行了比較,結(jié)果表明,人工免疫系統(tǒng)算法(AIS)與自適應(yīng)遺傳算法(AGA)具有更好的精度和速度。將基于生物學(xué)原理的新型算法引入到優(yōu)化流程中,實現(xiàn)了學(xué)科間綜合,對今后的研究具有很強的啟發(fā)性。
復(fù)合材料纏繞氣瓶的性能一方面取決于復(fù)合材料的性能,另一方面也取決于復(fù)合材料纏繞結(jié)構(gòu),不同材料類型,不同纏繞結(jié)構(gòu),不同混雜形式的產(chǎn)品各方面性能也有著較大的差距,針對該方面的優(yōu)化研究對復(fù)合材料纏繞氣瓶的設(shè)計具有重要意義。
樹脂類型、纖維類型和纏繞角度這三項因素影響著纖維纏繞氣瓶的力學(xué)性能,Kaynak C[22]等針對2 種不同的環(huán)氧樹脂體系、5 種不同的纖維材料和5 種不同的纏繞角度,分成了多組的測試組,并對試樣進行了分離盤試驗。結(jié)果表明:不同環(huán)氧樹脂體系的使用對結(jié)構(gòu)性能沒有顯著影響,因為這些體系的性能非常相似,只是玻璃化溫度和樹脂粘度略有不同;環(huán)向拉伸強度和環(huán)向拉伸彈性模量與試樣的纏繞角度密切相關(guān),與±45°、±25°和0°相比,90°和±65°的標本值要高得多;當(dāng)纏繞角大于60°時,與玻璃纖維相比碳纖維結(jié)構(gòu)性能有較大提高(圖8)。
圖8 五種不同纖維的環(huán)向拉伸彈性模量與纖維纏繞角關(guān)系Fig. 8 Comparison of hoop tensile strengths of specimens with five different fiber types as a function of winding angle.
增強纖維混雜是指復(fù)合材料中使用了兩種或兩種以上的纖維作為增強材料的情況。混雜體系中,不同纖維含量和纖維組合影響著增強纖維的性能。Czigany T[23]等以各種纖維作為增強材料,通過梳理、針刺、壓制等工藝制備了聚丙烯基復(fù)合材料,考察了纖維含量和纖維結(jié)合程度對復(fù)合材料的混雜效應(yīng)的影響,確定了復(fù)合材料的力學(xué)性能與纖維含量和纖維組合的關(guān)系,研究結(jié)果表明:復(fù)合材料性能不僅取決于增強纖維的力學(xué)性能,還取決于纖維得取向,以碳纖維和玻璃纖維為主的單組分復(fù)合材料性能對方向的依賴性非常顯著。此外,還采用靜態(tài)力學(xué)試驗確定了復(fù)合材料的強度性能,結(jié)果表明:與純聚丙烯基體相比,每一種還有增強纖維的復(fù)合材料其力學(xué)性能都有較大的提高。
纖維混雜時,混雜疊層順序?qū)Ξa(chǎn)品的性能也有著一定影響。Zuraida A[24]等采用纖維纏繞工藝制備了以環(huán)氧為基體,純碳纖維、純玻璃纖維、外碳纖維內(nèi)玻璃纖維和外玻璃纖維內(nèi)碳纖維四種復(fù)合材料管材,并對其做了準靜態(tài)橫向壓痕載荷試驗和有限元分析。研究結(jié)果表明:與純玻璃管和混合玻璃-碳管相比,碳/環(huán)氧管能承受更大的載荷,變形更?。粡?fù)合材料管的疊層順序可以影響復(fù)合管的強度和性能,具有外部碳纖維層的管道顯示出比具有內(nèi)部碳纖維層的管道具有更高的強度。
謝志剛[25]等采用ANSYS 仿真軟件建立了碳/?;祀s纖維纏繞氣瓶有限元分析模型,通過模擬自緊、零壓、工作和爆破四種狀態(tài),得出了合適的混雜纖維的當(dāng)量厚度比;在爆破壓力下,內(nèi)襯Von-Mises 應(yīng)力和玻璃纖維環(huán)向應(yīng)力始終接近極限應(yīng)力,對混雜比變化不敏感,此時碳纖維極限應(yīng)力決定了最優(yōu)混雜比,當(dāng)碳纖維環(huán)向應(yīng)力值剛好達到斷裂值時,可確定最佳混雜比范圍。如果從經(jīng)濟角度出發(fā)考慮,最優(yōu)混雜比應(yīng)取范圍內(nèi)較小值,如果從提高爆破壓強考慮,最優(yōu)混雜比應(yīng)取范圍內(nèi)較大值。
徐光磊[26][27]等對比了玻璃纖維以及碳/玻混雜纖維兩種纏繞筒,在保證兩者內(nèi)襯材料和纖維層厚度均相同的基礎(chǔ)上,進行了拉伸試驗、落錘沖擊試驗以及水壓試驗,并對兩者力學(xué)性能差異進行了比較。與玻璃纖維相比,碳纖維斷裂應(yīng)變小而纖維強度高,所以碳/玻混雜纖維纏繞筒抗沖擊性能劣于玻璃纖維纏繞筒,但整體強度較高,爆破壓力大。在水壓實驗中,玻璃纖維纏繞筒直徑明顯增大,金屬內(nèi)襯發(fā)生塑性形變,卸載后,玻璃纖維回彈量大,擠壓金屬內(nèi)襯,導(dǎo)致其向內(nèi)延軸向開裂;碳/?;祀s纏繞筒中,碳纖維限制了混雜纏繞筒的變形幅度,卸載后回彈量小,金屬內(nèi)襯只會向內(nèi)突起,兩者破壞形式不同。
碳纖維復(fù)合材料纏繞氣瓶是復(fù)合材料技術(shù)在壓力容器中的重要應(yīng)用,具有著十分廣闊的應(yīng)用前景。隨著該類產(chǎn)品不斷發(fā)展進步,其應(yīng)用領(lǐng)域和數(shù)量也將不斷擴大增長。與金屬氣瓶相比,碳纖維復(fù)合材料纏繞氣瓶在強度、質(zhì)量、安全性等方面有很大進步,但該類產(chǎn)品仍然存在較大的優(yōu)化空間,設(shè)計者們可根據(jù)自身需求,做出針對性優(yōu)化以達到所期待的性能。目前,針對碳纖維復(fù)合材纏繞氣瓶的優(yōu)化研究還大多集中在纖維纏繞層方面,金屬內(nèi)襯優(yōu)化以及制造工藝參數(shù)優(yōu)化方面仍有著較大的研究空間,相信在今后越來越多新的研究方法和研究內(nèi)容的不斷加持下,碳纖維復(fù)合材料纏繞氣瓶可以爆發(fā)出更強的市場活力。