纖維纏繞復(fù)合材料壓力容器的研究現(xiàn)狀

惠 虎，柏 慧，黃 淞，楊宇清

(1.華東理工大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200237；2.上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院，上海 200062)

0 引言

復(fù)合材料與傳統(tǒng)材料相比，具有較高的比強(qiáng)度(單位密度的抗拉強(qiáng)度)和比模量(單位密度的模量)，較好的抗疲勞和減振性能，更強(qiáng)的可設(shè)計(jì)性等優(yōu)點(diǎn)，因此，廣泛應(yīng)用于航空航天、石油化工、交通運(yùn)輸和電子電氣等領(lǐng)域[1-3]。壓力容器在現(xiàn)代工業(yè)中用來(lái)貯存和運(yùn)輸有壓力的氣體或液化氣體，在工藝中實(shí)現(xiàn)傳熱、傳質(zhì)、反應(yīng)等過(guò)程，是各個(gè)領(lǐng)域中非常重要的特種設(shè)備[4-6]。早期的壓力容器多為鋼制金屬容器，由于金屬?gòu)?qiáng)度有限，在設(shè)計(jì)中唯有通過(guò)增加厚度來(lái)提高容器的壓力，這將導(dǎo)致設(shè)計(jì)出的壓力容器的質(zhì)量超高，不僅為制造帶來(lái)困難，也為容器的運(yùn)輸帶來(lái)不便，而采用復(fù)合材料制成的壓力容器的纖維纏繞層密度很小但強(qiáng)度高，因此能夠減輕容器的質(zhì)量。近年來(lái)，很多科研人員在復(fù)合材料壓力容器的設(shè)計(jì)優(yōu)化、健康監(jiān)測(cè)、損傷檢測(cè)等方面進(jìn)行了大量的研究。因此，本文將對(duì)所有研究進(jìn)行初步的概括和總結(jié)，首先簡(jiǎn)單介紹復(fù)合材料以及纖維纏繞復(fù)合材料壓力容器的分類和應(yīng)用，然后歸納復(fù)合材料壓力容器的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，最后總結(jié)復(fù)合材料壓力容器的設(shè)計(jì)優(yōu)化和健康監(jiān)測(cè)與檢測(cè)等方面的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展。

1 復(fù)合材料

復(fù)合材料按基體材料類型可分為三類：樹(shù)脂基、金屬基和陶瓷基復(fù)合材料，其中樹(shù)脂基復(fù)合材料廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，這是因?yàn)闃?shù)脂的密度低、易成型、且與纖維增強(qiáng)體相容性好[3]。樹(shù)脂基體分為熱固性和熱塑性樹(shù)脂兩大類，熱固性樹(shù)脂有環(huán)氧樹(shù)脂、不飽和聚酯樹(shù)脂和酚醛等，熱塑性樹(shù)脂常用的有聚乙烯和聚苯乙烯等。目前，環(huán)氧樹(shù)脂、雙馬來(lái)酰亞胺樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂、乙烯樹(shù)脂等為基體的復(fù)合材料被廣泛使用，且其加工工藝較為成熟，環(huán)氧樹(shù)脂的拉伸強(qiáng)度較聚酯樹(shù)脂高。增強(qiáng)材料纖維主要有玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、芳綸纖維等有機(jī)纖維[7]，其中，玻璃纖維和碳纖維制品在各個(gè)領(lǐng)域的使用率非常高，也是近幾年來(lái)科研人員的研究重點(diǎn)[8-11]。依照纖維性能的差異，玻璃纖維可以分為普通玻璃纖維、耐強(qiáng)堿玻璃纖維、耐強(qiáng)酸玻璃纖維、高模量玻璃纖維等，而碳纖維種類達(dá)21種之多，不同種類和性能的碳纖維可滿足不同實(shí)際工程的需求。不同型號(hào)玻璃纖維、碳纖維、樹(shù)脂和復(fù)合材料的性能對(duì)比如表1[13]所示，可以計(jì)算出玻璃纖維的比強(qiáng)度和比模量比金屬材料分別提高了814%和31%，碳纖維的性能則更加優(yōu)越，其中T800碳纖維的拉伸強(qiáng)度和模量是玻璃纖維的近2倍[12]，一般來(lái)說(shuō)，碳纖維復(fù)合材料的比強(qiáng)度和比模量超過(guò)鋼和鋁等金屬材料，而玻璃纖維的比模量卻不如金屬。復(fù)合材料的主要力學(xué)性能取決于纖維增強(qiáng)材料，但是對(duì)于剪切老化等性能，基體樹(shù)脂起主要作用。

表1 不同型號(hào)纖維與金屬材料性能對(duì)比

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有明顯的非均質(zhì)、各向異性，不同鋪層設(shè)計(jì)的復(fù)合材料，其彈性常數(shù)、熱膨脹系數(shù)的強(qiáng)度等方面可能出現(xiàn)各種形式和不同程度的各向異性。將復(fù)合材料看處于平衡或運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的連續(xù)彈性體，其任意一點(diǎn)均有15個(gè)未知參數(shù)，包括6個(gè)應(yīng)力分量、6個(gè)應(yīng)變分量和3個(gè)位移分量。因此，各向異性使復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為更加復(fù)雜。

2 復(fù)合材料壓力容器

復(fù)合材料壓力容器主要由內(nèi)襯層(存儲(chǔ)、防漏和防化學(xué)腐蝕的作用)和纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料層(承載壓力的作用)構(gòu)成[14-15]。復(fù)合材料層中的纖維提供給結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，而樹(shù)脂粘結(jié)纖維并在纖維之間起著分布和傳遞載荷的作用。復(fù)合材料壓力容器主要有圓柱形、球形、環(huán)形和矩形等容器，其中圓柱形的壓力容器最為普遍。

2.1 復(fù)合材料壓力容器的應(yīng)用現(xiàn)狀

復(fù)合材料壓力容器主要用于航空、航天、民用儲(chǔ)氣和石油化工等領(lǐng)域。根據(jù)結(jié)構(gòu)可分為三類：Ⅱ型，內(nèi)襯為金屬，一般是鋼或者鋁制的，纖維環(huán)向纏繞，金屬內(nèi)襯和復(fù)合材料外殼分擔(dān)結(jié)構(gòu)載荷；Ⅲ型，金屬內(nèi)襯(鋼制或鋁制)，纖維全纏繞，復(fù)合材料層幾乎承擔(dān)所有結(jié)構(gòu)載荷；Ⅳ型，全復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，纖維混雜復(fù)合材料加聚合物內(nèi)襯，復(fù)合材料承擔(dān)所有結(jié)構(gòu)載荷。

2.1.1 航天航空領(lǐng)域的應(yīng)用

在航天系統(tǒng)中,空間推進(jìn)系統(tǒng)、空間站環(huán)控、航天實(shí)驗(yàn)室和導(dǎo)彈系統(tǒng)壓力源所用的壓力容器很多都是復(fù)合材料壓力容器，用來(lái)儲(chǔ)存氣體和燃料，包括氫氣、氧氣、氬氣、氮?dú)狻⒖諝夂投趸嫉萚16-18]。以美國(guó)的NASA航天飛機(jī)為例，共有24個(gè)壓力容器(工作壓力為1.06～50 MPa，容積為5～600 L，直徑為146～1 336 mm)，現(xiàn)役的復(fù)合材料壓力容器大多采用薄壁鋁合金內(nèi)襯，球形和柱形容器內(nèi)襯的鋁合金牌號(hào)分別為5086-T0和6061-T2。除此之外，國(guó)內(nèi)外的衛(wèi)星、運(yùn)載火箭和導(dǎo)彈都大量使用了復(fù)合材料壓力容器，如Hughes衛(wèi)星、Mitex衛(wèi)星、火星探測(cè)計(jì)劃、Delm Ⅶ火箭等[19]。

2.1.2 儲(chǔ)氣領(lǐng)域的應(yīng)用

復(fù)合材料壓力容器可以用來(lái)儲(chǔ)存和運(yùn)輸壓縮天然氣和氫氣等氣體，主要用于海洋油田和汽車等領(lǐng)域。由于設(shè)計(jì)者綜合考慮了儲(chǔ)罐安全、續(xù)航里程和基礎(chǔ)設(shè)施投資等因素，因此車載儲(chǔ)氫氣瓶的壓力一般被設(shè)計(jì)為35～70 MPa[20-22]。對(duì)于復(fù)合材料高壓氫氣瓶的制造商，美國(guó)的林肯復(fù)合材料(Lincoln Composites)、昆騰(Quantum)和加拿大的達(dá)因特(Dyneteck)等公司在全球范圍內(nèi)處于領(lǐng)先地位，這些企業(yè)已經(jīng)成功研制了多種規(guī)格和型號(hào)的復(fù)合材料高壓氫氣瓶?？諝夂粑鳉馄恳矊儆趦?chǔ)氣領(lǐng)域，主要用于消防和醫(yī)療等行業(yè)，它多是由鋁合金為內(nèi)膽外纏繞碳纖維方法制造的，用于移動(dòng)式正壓空氣呼吸器、自給式正壓空氣呼吸器及其他需用高壓氣體的場(chǎng)合[19]。

2.1.3 石油化工領(lǐng)域的應(yīng)用

由于玻璃鋼大型貯罐具有耐腐蝕性好、韌性和強(qiáng)度良好、壽命長(zhǎng)且無(wú)需維修等優(yōu)勢(shì)，因此其在石油化工領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，在油田中主要作為緩沖罐、沉降罐、污水罐、收油罐、回注水罐、過(guò)濾罐和消防水罐等。玻璃鋼罐的內(nèi)襯所用樹(shù)脂的選擇尤其重要，因?yàn)樗c介質(zhì)直接接觸，主要起到防腐的作用，直接影響玻璃鋼罐的壽命。而結(jié)構(gòu)層樹(shù)脂的強(qiáng)度要高，韌性要好，它是由纏繞機(jī)現(xiàn)場(chǎng)控制纏繞而成，在微機(jī)軟件上可以根據(jù)設(shè)計(jì)要求設(shè)置纏繞角和含膠量等參數(shù)，從而控制設(shè)備的壁厚，盡可能保證設(shè)備壁厚在允許誤差范圍內(nèi)[23]。

2.2 復(fù)合材料壓力容器的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

復(fù)合材料應(yīng)用于壓力容器領(lǐng)域雖然有較長(zhǎng)的歷史，但中國(guó)有關(guān)復(fù)合材料壓力容器的標(biāo)準(zhǔn)并不多。下面分類介紹一些指導(dǎo)著復(fù)合材料壓力容器發(fā)展的國(guó)內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

2.2.1 纖維纏繞復(fù)合材料壓力容器標(biāo)準(zhǔn)

1974年起草的美國(guó)ASME標(biāo)準(zhǔn)，其中第十篇為纖維纏繞塑料壓力容器的標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)以設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)[2-3]；主要內(nèi)容包括：玻璃纖維增強(qiáng)塑料制壓力容器的一般要求，材料要求，設(shè)計(jì)要求，制造要求，資質(zhì)要求，泄壓裝置，檢驗(yàn)規(guī)則，檢驗(yàn)要求，標(biāo)志、鋼印和報(bào)告的要求，以及9個(gè)規(guī)范性附錄和9個(gè)資料性附錄。該標(biāo)準(zhǔn)初期只含有玻璃纖維纏繞壓力容器的相關(guān)要求，在2001年補(bǔ)遺了碳纖維和芳綸纖維纏繞復(fù)合材料壓力容器的相關(guān)要求。該標(biāo)準(zhǔn)有3個(gè)級(jí)別的設(shè)計(jì)方法：Ⅰ級(jí)設(shè)計(jì)是通過(guò)原型壓力測(cè)試的容器設(shè)計(jì)資格；Ⅱ級(jí)設(shè)計(jì)是強(qiáng)制性設(shè)計(jì)規(guī)則和通過(guò)無(wú)損方法的可接受測(cè)試；Ⅲ級(jí)設(shè)計(jì)既要通過(guò)原型壓力測(cè)試的容器設(shè)計(jì)資格，還要采用非破壞性的方法，遵守強(qiáng)制性的設(shè)計(jì)和驗(yàn)收測(cè)試規(guī)則。

中國(guó)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)大多是關(guān)于復(fù)合材料壓力容器產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)。JC/T 587—1995《纖維纏繞增強(qiáng)塑料儲(chǔ)罐》中規(guī)定了玻璃纖維纏繞增強(qiáng)貯罐的分類、原材料、技術(shù)要求、試驗(yàn)方法、檢驗(yàn)規(guī)則和產(chǎn)品標(biāo)志等，適用于纏繞法制造，在常壓下貯存液體的地面立式、臥式圓筒形貯罐；HG/T 20696—1999《玻璃鋼化工設(shè)備設(shè)計(jì)規(guī)定》中所敘述的玻璃鋼化工設(shè)備指的是熱固性樹(shù)脂為基體材料，玻璃纖維為增強(qiáng)材料復(fù)合而成的整體耐腐蝕玻璃鋼化工設(shè)備，本規(guī)定中的設(shè)計(jì)壓力不大于0.6 MPa，外壓設(shè)計(jì)壓力不大于0.1 MPa，設(shè)計(jì)溫度在-40～120 ℃范圍內(nèi)；HY/T 067—2002《水處理用玻璃鋼罐》適用于以玻璃纖維及其制品為增強(qiáng)材料、不飽和聚酯樹(shù)脂或乙烯基酯樹(shù)脂為基體的標(biāo)準(zhǔn)底座型及加長(zhǎng)底座型的水處理用玻璃鋼罐；HG/T 3983—2007《耐化學(xué)腐蝕現(xiàn)場(chǎng)纏繞玻璃鋼大型容器》，是參照ASTM D3299—2000Standardspecificationforfilament-woundglassfiberreinforcedthermosetresincorrosion-resistanttanks制定，適用于現(xiàn)場(chǎng)制造的立式圓筒形的常壓耐化學(xué)腐蝕纏繞成型玻璃鋼大型容器，直徑為4 500～25 000 mm；GB/T 7190.2—2018《機(jī)械通風(fēng)冷卻塔 第2部分：大型開(kāi)式冷卻塔》中規(guī)定了大型開(kāi)式冷卻塔的產(chǎn)品分類和標(biāo)記等，適用于單塔冷卻水量不小于1 000 m3/h的開(kāi)式冷卻塔。

2.2.2 呼吸氣瓶標(biāo)準(zhǔn)

美國(guó)交通部(DOT)在1970年分布了DOT-CFFC無(wú)縫鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)行版本為2000年11月第四次修訂版《全纏繞碳纖維增強(qiáng)鋁內(nèi)膽氣瓶的基本要求》，此標(biāo)準(zhǔn)適用于水容積小于90.7 L，工作壓力小于34.5 MPa的氣瓶，本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了無(wú)縫鋁內(nèi)襯上纏繞碳纖維和環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料結(jié)構(gòu)層的設(shè)計(jì)、制造和性能的要求；美國(guó)壓縮氣體協(xié)會(huì)于1970年發(fā)布了DOT FRP-1《FRP纖維增強(qiáng)FC型復(fù)合材料氣瓶基本要求》標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)適用于玻璃纖維纏繞氣瓶，容積范圍小于90.7 L，工作壓力范圍為6.2～34.5 MPa。DOT FRP-2《FRP纖維增強(qiáng)3HW型復(fù)合材料氣瓶的基本要求》于1982年制定，最初用于玻璃纖維鋁內(nèi)膽環(huán)向纏繞，后來(lái)允許用于鋼內(nèi)膽，規(guī)定的容積和工作壓力范圍與FRP-1相同；英國(guó)健康委員會(huì)(HSE) 1992年1月發(fā)布第一個(gè)政府許可的關(guān)于碳纖維復(fù)合氣瓶(呼吸器)的標(biāo)準(zhǔn)，壓力為20.7 MPa或30.0 MPa，英國(guó)HSEA1-FW2和歐洲標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)于1999年7月編制了PREN12245《全纏繞復(fù)合材料氣瓶》[24-25]規(guī)范。

2.2.3 車用壓縮天然氣氣瓶標(biāo)準(zhǔn)

2000年9月15日正式頒布ISO 11439《車用壓縮天然氣高壓氣瓶》標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)是在過(guò)去20年來(lái)各國(guó)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上制定的，本標(biāo)準(zhǔn)包含了天然氣汽車車載高壓可充裝氣瓶的最低要求，不包括因撞車而產(chǎn)生的外來(lái)沖擊等工作條件，最大充裝壓力為26 MPa，氣體充裝的天然氣應(yīng)符合干性或濕性氣體，國(guó)內(nèi)車用壓縮天然氣氣瓶也多參考該標(biāo)準(zhǔn)。還有一個(gè)比較有代表性的是ISO于2002年批準(zhǔn)的ISO 11119《復(fù)合結(jié)構(gòu)氣瓶——規(guī)范和試驗(yàn)方法》，該標(biāo)準(zhǔn)適用于容積450 L以下、用于儲(chǔ)存和運(yùn)送壓縮和液化氣體的容器，包含3個(gè)部分：《承載金屬內(nèi)膽纖維增強(qiáng)全纏繞復(fù)合氣瓶》《環(huán)向纏繞復(fù)合氣瓶》和《非金屬內(nèi)膽和不承載金屬內(nèi)膽纖維增強(qiáng)全纏繞復(fù)合氣瓶》[2-3]。此外，ISO/DIS 19881—2017Gaseoushydrogen-landvehiclefuelcontainers規(guī)定了該類容器的材料、設(shè)計(jì)、制造、標(biāo)志、安全測(cè)試和可拆卸容器的要求，此標(biāo)準(zhǔn)適用于水容積在1 000 L以下，工作壓力不超過(guò)70 MPa 的儲(chǔ)氫容器。

美國(guó)航天和星級(jí)航空協(xié)會(huì)發(fā)布的S-081《非金屬內(nèi)膽復(fù)合纏繞壓力容器》是針對(duì)進(jìn)行中的發(fā)射運(yùn)載工具和有效載荷制定的，該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)材料的選擇和安全指南提供了廣泛的指導(dǎo)，設(shè)計(jì)思路基于應(yīng)力破裂性能而建立飛行壽命的最低可靠性[2]。美國(guó)機(jī)動(dòng)車工程師學(xué)會(huì)(SAE)發(fā)布了一系列有關(guān)燃料電池汽車的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，其中SAE J 2579—2017《燃料電池和其他氫車輛燃料系統(tǒng)技術(shù)信息報(bào)告》規(guī)定了移動(dòng)式車載儲(chǔ)氫燃料容器和公路車輛手動(dòng)操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)、服役和維修的要求。

歐洲標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)編制的復(fù)合氣瓶規(guī)范EN 1964-1《可運(yùn)輸氣瓶——無(wú)縫環(huán)向纏繞復(fù)合材料容器》和EN 12245—2002《可運(yùn)輸氣瓶——全纏繞復(fù)合材料氣瓶》，兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)均規(guī)定了容積在450 L以下復(fù)合氣瓶的材料、設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)、性能測(cè)試和制造等最低要求。而中國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)較少，值得借鑒的是GB/T 6058—2005《纖維纏繞壓力容器制備和內(nèi)壓試驗(yàn)方法》，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了纖維纏繞壓力容器的制備方法和內(nèi)壓試驗(yàn)強(qiáng)度計(jì)算，適用于制備具有規(guī)定幾何形狀的纖維纏繞壓力容器試樣，在規(guī)定的條件下進(jìn)行內(nèi)壓試驗(yàn)，以確定纖維纏繞壓力容器的表觀拉伸參數(shù)。此外，GB/T 35544—2017《車用壓縮氫氣鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶》適用于設(shè)計(jì)制造公稱壓力不超過(guò)70 MPa，水容積不大于450 L，貯存介質(zhì)為壓縮氫氣，工作溫度不低于-40 ℃且不高于80 ℃，固定在道路車輛上用作燃料箱的可重復(fù)充裝氣瓶，規(guī)定了壓縮氫氣鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶的型式和參數(shù)、技術(shù)要求、試驗(yàn)方法(火燒、極限溫度壓力循環(huán)、加速應(yīng)力破裂、水壓爆破、跌落、氫氣循環(huán)和槍機(jī)試驗(yàn)等)和檢驗(yàn)規(guī)則等要求。

3 復(fù)合材料壓力容器的設(shè)計(jì)及優(yōu)化

為了制造出符合實(shí)際工況的復(fù)合材料壓力容器，首先需要根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)理論和標(biāo)準(zhǔn)對(duì)復(fù)合材料壓力容器進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，然后建立優(yōu)化模型，在充分發(fā)揮纖維及樹(shù)脂材料特性的前提下，提高壓力容器的力學(xué)性能，降低材料使用及生產(chǎn)制造成本，最后實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料壓力容器的輕量化。國(guó)內(nèi)外有很多學(xué)者對(duì)復(fù)合材料壓力容器的設(shè)計(jì)和優(yōu)化進(jìn)行了深入研究，本文將總結(jié)具有代表性的研究成果。

ZU等[26-33]采取非測(cè)地線纏繞成型方法，基于有限元模型，對(duì)含有不對(duì)稱極孔、不同形狀封頭和開(kāi)孔的復(fù)合材料壓力容器進(jìn)行應(yīng)力分布和極限強(qiáng)度的模擬分析，進(jìn)而設(shè)計(jì)和優(yōu)化符合工況要求的壓力容器。VAFAEESEFAT等[34]提出了一種多層次的非金屬襯里復(fù)合壓力容器優(yōu)化策略，該算法利用迭代算法和有限元分析對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，其中設(shè)計(jì)變量包括封頭形狀、纏繞角、層厚、層數(shù)和堆疊順序。由于制造工藝對(duì)長(zhǎng)絲纏繞復(fù)合材料壓力容器的質(zhì)量有顯著影響，LIU等[35]先建立了幾組三維有限元模型，并計(jì)算出纏繞過(guò)程所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，然后基于線性熱粘彈性本構(gòu)模型對(duì)熱粘彈性效應(yīng)的固化殘余應(yīng)力進(jìn)行預(yù)測(cè)，最后利用一種新穎的迭代算法給出了失效壓力的確定方法，找到最優(yōu)的繞組參數(shù)以獲得更好的力學(xué)性能。

PARNAS等[36]開(kāi)發(fā)了一個(gè)新的分析程序，可以設(shè)計(jì)和預(yù)測(cè)纖維增強(qiáng)復(fù)合壓力容器的力學(xué)行為。 該程序采用了經(jīng)典的彈性層合理論和廣義平面應(yīng)變模型，并考慮了由于溫度和濕度的轉(zhuǎn)變而產(chǎn)生的內(nèi)部壓力、軸向力和體力，應(yīng)用三維失效理論，得到了壓力容器繞線角、爆破壓力、最大軸向力和最大角速度的最優(yōu)值。SON等[37]通過(guò)有限元分析，模擬了具有預(yù)設(shè)纏繞模式的燃料電池車輛Ⅲ型氫壓力容器的自緊過(guò)程，對(duì)復(fù)合層采用了基于堆疊的建模技術(shù)，導(dǎo)出了封頭部分纖維的輪廓函數(shù)，以確定纏繞角度和厚度，并對(duì)壓力容器進(jìn)行了應(yīng)力分析，預(yù)測(cè)了壓力容器在最小爆裂壓力下的失效。除了圓柱形復(fù)合材料壓力容器的設(shè)計(jì)，還有其他形狀壓力容器的設(shè)計(jì)優(yōu)化分析。XU等[38]提出了一種新的球形結(jié)構(gòu)纏繞策略，利用纏繞軌跡方程進(jìn)行計(jì)算，給出了球形結(jié)構(gòu)的繞組參數(shù)設(shè)計(jì)。MITKEVICH等[39]基于環(huán)形膜模型設(shè)計(jì)了環(huán)形復(fù)合材料壓力容器的纏繞軌跡，并對(duì)其進(jìn)行受力分析，得到不同角度下的環(huán)向及縱向應(yīng)力應(yīng)變方程。HOJJATI等[40-41]對(duì)封頭的設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入研究，同時(shí)評(píng)估了封頭剖面上的力學(xué)性能，證明了矩陣性質(zhì)在封頭設(shè)計(jì)中起著重要的作用，獲得了最優(yōu)的子午線形狀失效準(zhǔn)則，并概述了封頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的分析方法。

4 損傷的監(jiān)測(cè)與檢測(cè)評(píng)估方法研究

復(fù)合材料壓力容器一旦發(fā)生損傷，在外部載荷作用下，會(huì)在損傷部位產(chǎn)生應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力大于材料的許用應(yīng)力后，進(jìn)而導(dǎo)致安全事故的發(fā)生[42]。然而，用目視或者手敲的方法基本上很難發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料層內(nèi)部小缺陷，因此特種設(shè)備必須進(jìn)行定期檢查，而無(wú)損檢測(cè)就是一種重要且有效的檢測(cè)手段，損傷研究也成為壓力容器領(lǐng)域研究者們的關(guān)注熱點(diǎn)之一。復(fù)合材料壓力容器的失效有3種：第1種是內(nèi)襯的失效，主要是內(nèi)襯的滲漏和鼓包；第2種是復(fù)合材料層的失效，表現(xiàn)為基體損傷、纖維基體脫粘、纖維斷裂和分層等；第3種是內(nèi)襯層與纖維層脫粘分層。而復(fù)合材料壓力容器的損傷主要來(lái)自于復(fù)合材料層，因此大部分研究者關(guān)注復(fù)合材料層內(nèi)部缺陷的檢測(cè)方法及檢測(cè)信號(hào)處理兩個(gè)方面。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中缺陷的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)包括聲發(fā)射檢測(cè)、光纖法、超聲波檢測(cè)、X射線檢測(cè)、紅外熱成像檢測(cè)、微波檢測(cè)和激光錯(cuò)位散斑成像檢測(cè)等[43]。

4.1 聲發(fā)射無(wú)損檢測(cè)技術(shù)

聲發(fā)射又稱應(yīng)力波發(fā)射，是指物體在受外界作用下因能量瞬間釋放而產(chǎn)生變形、斷裂或內(nèi)部應(yīng)力超過(guò)屈服強(qiáng)度而進(jìn)入塑性變形的現(xiàn)象，利用儀器探測(cè)、記錄并分析聲發(fā)射信號(hào)，經(jīng)過(guò)處理便可用于損傷的判斷和定位，聲發(fā)射技術(shù)就是利用以上原理來(lái)判斷裂紋萌生和擴(kuò)展的[44]。在復(fù)合材料壓力容器中，可按照一定的方法布置多個(gè)聲發(fā)射傳感器，同時(shí)監(jiān)控整個(gè)壓力容器，在內(nèi)壓有規(guī)則地變化中識(shí)別主要的破壞模式和位置。

LIAO等[45]用聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)探究了70 MPa Ⅳ型復(fù)合材料儲(chǔ)氫氣瓶的損傷機(jī)理，在容器中加水打壓，水壓范圍分別為0～105 MPa和0～158 MPa，產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)通過(guò)儀器記錄下來(lái)，并用多參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析方法分析振幅、頻率和能量等特征參數(shù)，研究在水壓和爆破試驗(yàn)過(guò)程中，特征參數(shù)(如振幅和峰值計(jì)數(shù))與三種主要損傷模式的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并探討了隨著內(nèi)壓的增加復(fù)合材料壓力容器的損傷演化行為。DAHMENE等[46]研究了費(fèi)利西蒂效應(yīng)及通過(guò)/失敗準(zhǔn)則，試驗(yàn)中使用的復(fù)合材料壓力容器曾受到不同級(jí)別和不同區(qū)域的機(jī)械撞擊，在收集到信號(hào)數(shù)據(jù)后，從區(qū)域和平面定位的角度分析這些數(shù)據(jù)，結(jié)果已證明，失效位置與通過(guò)區(qū)域和平面定位確定的位置有很好的相關(guān)性。CATTY[47]通過(guò)簡(jiǎn)單的數(shù)值模擬方法，探究了區(qū)域定位和平面三角定位方法的不同，研究了基礎(chǔ)參數(shù)設(shè)置對(duì)聲發(fā)射信號(hào)的影響，可作為確定新的聲發(fā)射測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)。CHOU等[48]使用聲發(fā)射技術(shù)檢測(cè)碳纖維復(fù)合材料壓力容器在連續(xù)循環(huán)內(nèi)氣壓載荷下的損傷，監(jiān)測(cè)損傷的萌生和積累，但是仍然無(wú)法確切地區(qū)分出纖維斷裂、基體開(kāi)裂、脫粘和分層的信號(hào)，破裂壽命和聲發(fā)射事件有很大的差異，同時(shí)，使用數(shù)值模擬方法對(duì)恒定拉伸應(yīng)力下的復(fù)合材料板進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力斷裂壽命的高度變異性主要是由于碳纖維斷裂過(guò)程的隨機(jī)行為所致。李偉等[49-50]通過(guò)對(duì)纖維纏繞復(fù)合材料容器在水壓和爆破試驗(yàn)的研究，結(jié)合聲發(fā)射技術(shù)，得到了復(fù)合材料容器在受壓損傷及爆破過(guò)程中的聲發(fā)射信號(hào)變化規(guī)律，并運(yùn)用參數(shù)法和K均值聚類法分析了復(fù)合材料容器損傷過(guò)程的聲發(fā)射特性，應(yīng)用費(fèi)利西蒂比評(píng)價(jià)其損傷程度。

4.2 光纖法

用光纖法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)合材料壓力容器的自動(dòng)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控，將光纖傳感器鋪貼在復(fù)合材料層表面或者內(nèi)部，對(duì)容器的工作溫度和應(yīng)變實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，許多學(xué)者利用光纖來(lái)評(píng)估復(fù)合材料的裂紋及纖維斷裂[51-54]，其基本工作原理為：當(dāng)壓力容器出現(xiàn)損傷時(shí)，內(nèi)部的光纖斷裂并從損傷區(qū)發(fā)射光信號(hào)到達(dá)終端，由此判斷損傷尺寸和位置。

MUNZKE等[55]將分布式光纖應(yīng)變傳感器埋入到纖維全纏繞壓力容器中，探究在252 000次循環(huán)加載直到爆破的情況下該容器的應(yīng)變響應(yīng)，結(jié)果表明，直到容器壽命結(jié)束，有3/4的纖維可用于應(yīng)變監(jiān)測(cè)，通過(guò)測(cè)量損傷引起的應(yīng)變變化，可以對(duì)材料失效進(jìn)行局部化，并在爆裂前監(jiān)測(cè)17 000個(gè)載荷循環(huán)。ERIK等[56]討論了光纖實(shí)際應(yīng)用和信號(hào)后處理方面的挑戰(zhàn)，在加壓過(guò)程中，光纖被用來(lái)測(cè)量復(fù)合層的幾個(gè)厚度的應(yīng)變，然后對(duì)鋼瓶進(jìn)行撞擊，分析光纖的背散射光，以顯示損壞的位置和嚴(yán)重程度，對(duì)嵌入式光纖網(wǎng)絡(luò)的研究成功地證明了光纖法是一種很有前途的復(fù)合壓力容器結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)方法。掃描波長(zhǎng)干涉測(cè)量的分布式應(yīng)變傳感器技術(shù)已被用于具有鋁襯的Ⅲ型圓柱形氣瓶的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)[57-59]。

趙海濤[60]使用多個(gè)光纖傳感器，對(duì)復(fù)合材料的制造和服役過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過(guò)分析不同溫度及制造壓力下復(fù)合材料的應(yīng)變變化與材料的性能對(duì)比，得到提高復(fù)合材料產(chǎn)品合格率的方法。此方法也可應(yīng)用于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，建立復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造-服役全壽命健康監(jiān)測(cè)體系，來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)可重復(fù)使用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的制造、服役、損傷、破壞全壽命過(guò)程。肖飚等[61]在玻璃纖維纏繞金屬內(nèi)膽復(fù)合材料壓力容器的制備過(guò)程中，將應(yīng)變傳感器埋在金屬內(nèi)膽與玻璃纖維/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料層之間，并對(duì)該纖維纏繞壓力容器開(kāi)展水壓疲勞和爆破試驗(yàn)，結(jié)果表明，該方法可以原位監(jiān)測(cè)壓力容器在疲勞和爆破試驗(yàn)中的應(yīng)變變化趨勢(shì)。還有很多采用埋入式傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的原位測(cè)試[62-65]，均原位測(cè)試了碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的層間變化，結(jié)果表明該方法可以精準(zhǔn)地監(jiān)測(cè)復(fù)合材料的層間狀態(tài)。

4.3 超聲波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)

超聲波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的工作原理是利用材料內(nèi)部缺陷區(qū)域與正常區(qū)域?qū)Τ暡ㄎ恢眉俺叽绲男盘?hào)感應(yīng)，超聲波檢測(cè)顯示直觀、檢測(cè)速度快，且廣泛應(yīng)用于大型復(fù)合材料與構(gòu)建的檢測(cè)中，尤其適合檢測(cè)其內(nèi)部的分層缺陷，也可以詳細(xì)檢測(cè)其中的微小孔隙、裂紋、粘脫等缺陷。該檢測(cè)方法的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度極高，缺點(diǎn)是實(shí)際過(guò)程中需要結(jié)合使用耦合劑，且效率低下，缺陷類型不同，其采用的探頭規(guī)格也不同。

YANG等[66-70]將超聲波檢測(cè)技術(shù)用于復(fù)合材料壓力容器和層合板的損傷監(jiān)測(cè)和檢測(cè)中，其中文獻(xiàn)[66]中提出了一種利用導(dǎo)波實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)氫容器缺陷自動(dòng)檢測(cè)與定位的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)，基于導(dǎo)波在空心球和圓柱中傳播的理論背景[71-72]，采用坐標(biāo)變換方法對(duì)橢圓定位算法進(jìn)行修正，然后利用改進(jìn)算法對(duì)缺陷進(jìn)行在線定位，試驗(yàn)定位出缺陷分別在儲(chǔ)氫容器的筒體和封頭部分，除此之外，該團(tuán)隊(duì)還在文獻(xiàn)[73]中研發(fā)了基于多壁碳納米管界面?zhèn)鞲衅鞯亩喙δ軓?fù)合材料，并研究了其在纖維纏繞壓力容器健康監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。

4.4 其他無(wú)損檢測(cè)技術(shù)

X 射線成像法的原理是利用X射線穿透物體進(jìn)行掃描，然后收集射線經(jīng)過(guò)不同物質(zhì)衰減后的信息，經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)方法以及計(jì)算機(jī)處理，求解出衰減系數(shù)在物體內(nèi)的分布，并轉(zhuǎn)化為圖像的灰度分布，從而實(shí)現(xiàn)重建物體圖像的成像技術(shù)[74]。NEBE等[75]研究了Ⅳ型復(fù)合材料壓力容器纖維堆疊順序?qū)θ萜髯冃魏捅茐毫Φ挠绊?，其中用X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)，提供了關(guān)于纖維體積分?jǐn)?shù)和孔隙率分布的見(jiàn)解。史建軍等[76]運(yùn)用射線實(shí)時(shí)成像技術(shù)對(duì)碳纖維復(fù)合材料氣瓶進(jìn)行在線動(dòng)態(tài)檢測(cè)，分析了其常見(jiàn)缺陷及其對(duì)復(fù)合材料性能的影響，證明了該檢測(cè)方法的靈敏性和精準(zhǔn)度。黃良等[77]在纖維層和內(nèi)膽上制作了系列刻槽和平底孔等人工缺陷，通過(guò)優(yōu)化后的透照參數(shù)，拍攝人工試樣影像。檢測(cè)結(jié)果表明，數(shù)字射線檢測(cè)方法能夠檢出纖維層上深度為0.25 mm的縱向刻槽和深度為0.5 mm的環(huán)向刻槽，同時(shí)還能檢出內(nèi)膽上深度為0.25 mm的縱、環(huán)向刻槽等人工缺陷。

紅外熱成像、微波檢測(cè)和激光散斑檢測(cè)技術(shù)均已初步應(yīng)用于復(fù)合材料的損傷與斷裂研究，而很少用于復(fù)合材料壓力容器的損傷檢測(cè)研究。

以上幾種無(wú)損檢測(cè)方法的對(duì)比如表2[78]所示。將復(fù)合材料的各種損傷檢測(cè)方法的適用性加以總結(jié)，見(jiàn)表3。

表2 復(fù)合材料壓力容器常用無(wú)損檢測(cè)方法比較

表3 常用復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的適用性

5 結(jié)語(yǔ)

由于纖維纏繞壓力容器具有承壓性能好、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，它的應(yīng)用范圍日趨擴(kuò)大，在航空航天、汽車、石油化工等領(lǐng)域有很好的應(yīng)用潛力。纖維纏繞壓力容器的設(shè)計(jì)研發(fā)也不斷成熟，但仍需改善，優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，提高纖維強(qiáng)度利用率。復(fù)合材料壓力容器無(wú)損檢測(cè)的方法有很多，但仍不成熟，還需要研究者進(jìn)一步探究，實(shí)現(xiàn)損傷的精準(zhǔn)定位，為復(fù)合材料壓力容器全壽命健康監(jiān)測(cè)提供更加有效的方法。