高压全缠绕复合材料气瓶自紧优化分析

吴泽敏 宋利滨 马 源

(1.大连理工大学化工机械学院；2.中国特种设备检测研究院)

复合材料气瓶作为一种气体储罐，以其比强度和比刚度高、抗疲劳性能好及质量轻等诸多优点，在航空航天、交通运输、化工及医疗等领域得到广泛的应用[1]。复合材料气瓶工作时需要不断地充放气体，因此对其疲劳性能要求较高。由于复合材料气瓶内衬和复合材料层所使用的材料存在巨大差异，造成其沿壁厚方向的应力分布不均，从而降低了其疲劳使用寿命。目前在生产过程中，普遍采用自紧处理方法使复合材料气瓶在零压时内衬处于受压状态而复合材料层处于受拉状态，从而降低工作时内衬的受力[2]，充分发挥纤维的高强度性能并提高复合材料气瓶的疲劳性能。

目前，国内外对全缠绕复合材料气瓶自紧压力范围的确定和优化主要是参照美国DOT-CFFC标准[3]中的相关要求完成的，该标准仅适用于工作压力34.5MPa以下、容积90.7L以下的全缠绕复合材料气瓶。随着复合材料气瓶的发展，低压力、低容量的复合材料气瓶已无法满足相应的工艺要求，对于工作压力高于34.5MPa全缠绕复合材料气瓶自紧压力的优化方法鲜有报导。虽然文献[4，5]中分别对工作压力为35.0、40.0MPa的全缠绕复合材料气瓶自紧压力进行了优化，但其均仅是参照DOT-CFFC标准来完成的，因此得到的最佳自紧压力值的准确性有待考察。

国际标准化组织ISO于2002年批准了一部纤维缠绕复合气瓶标准ISO-11119[6]，该标准适用于工作压力43.3MPa以下、容积450L以下的复合材料气瓶，但标准中仅给出了复合材料层的纤维应力比的限制要求，对于内衬层应力分布的限制未作任何说明。为了更准确地得到工作压力在34.5MPa以上的全缠绕复合材料气瓶的最佳自紧压力，笔者同时参照DOT和ISO两标准中的相关要求对工作压力35.0MPa、容积140L的全缠绕复合材料气瓶进行自紧优化。

1 全缠绕复合材料气瓶有限元分析

1.1基本材料参数

文中所分析的全缠绕复合材料气瓶内衬层选用铝合金6061-T6，复合材料层纤维选用12K-T700碳纤维，树脂基体选用环氧树脂。铝合金6061-T6材料性能参数如下：

弹性模量 69GPa

塑性模量 0.69GPa

泊松比 0.324

屈服强度 296MPa

抗拉强度 330MPa

12K-T700碳纤维材料性能参数如下：

抗拉强度 4.9GPa

拉伸模量 230GPa

伸长率 2.1%

线密度 800mg/m

密度 1.80g/cm3

12K-T700/环氧树脂材料性能参数如下(其中Ei表示材料i方向上的弹性模量，Gij表示材料的剪切模量，μij表示泊松比)：

Ex154.1GPa

Ey11.41GPa

Ez11.41GPa

Gxy7.092GPa

Gyz3.792GPa

Gxz7.092GPa

μxy0.33

μyz0.49

μxz0.49

1.2有限元模型及网格划分

为了保证数值计算求解的精确性，分析时选用三维20节点Solid95实体单元模拟复合材料气瓶内衬层，选用Shell99壳单元模拟复合材料层。由于复合材料气瓶上的纤维缠绕方式是对称缠绕，可将复合材料层的几何结构看作是轴对称结构，因此全缠绕复合材料气瓶有限元模型可简化为轴对称模型。由于复合材料层属于一种各向异性材料，为确保分析结果的准确性，分析时需要保证内衬外表面的外法线方向和复合材料层部位的单元坐标方向是一致的。笔者选取全缠绕复合材料气瓶环向1/8结构建立其有限元模型(图1)。

分析时为与实际情况相符，在复合材料气瓶的轴向剖面上施加对称约束，内衬内表面施加均布内压，两端的瓶颈端部分别施加轴向位移约束和内压引起的等效轴向载荷。

图1 复合材料气瓶1/8有限元模型及网格

2 自紧的必要性

自紧常应用于金属厚壁高压容器。在自紧压力作用下，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，当卸掉自紧压力后，内壁处产生残余压应力。其目的是使容器在工作压力下，容器内、外壁的拉应力能够相近些，以较充分地利用材料[7]。纤维缠绕复合材料气瓶不算是厚壁容器，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可以通过自紧来解决[8]。笔者通过对比分析自紧前后，工作压力下复合材料气瓶内衬层进入塑性状态的程度，来进一步说明自紧处理的必要性。

自紧前后工作压力下内衬层进入塑性部分的Mises应力分布和复合材料层的Mises应力分布如图2、3所示。可见图2a中内衬部分筒体已经进入塑性应力状态，经过自紧处理后，图2b中内衬整体仍处于弹性应力状态。

由图2、3可知，工作压力下，未自紧处理的复合材料气瓶内衬层部分筒体已进入塑性应力状态，复合材料层应力强度较低，远低于碳纤维的抗拉强度；经自紧处理后，复合材料气瓶内衬层全部处于弹性状态，且复合材料层的应力强度有显著提高，说明自紧处理能有效提高复合材料气瓶的承载能力和纤维利用率。

图2 自紧前后工作压力下内衬塑性部分Mises应力

图3 自紧前后工作压力下复合材料层Mises应力

3 自紧压力优化

由自紧原理可知，自紧压力要高于复合材料气瓶的水压试验压力，故选取其水压试验压力作为自紧压力的初值，分析时通过不断提高自紧压力并观察经自紧压力处理后的复合材料气瓶内衬层和复合材料层上的应力强度分布是否满足DOT和ISO标准中的相关要求，来进一步确定其最佳自紧压力。由于DOT和ISO标准中均有对纤维应力比的限制，但其纤维应力比的计算方法不同，为了区别两标准中的纤维应力比，笔者将两标准中的纤维应力比分别简称为DOT纤维应力比和ISO纤维应力比，DOT和ISO两标准中对复合材料气瓶应力的相关要求如下：

a. DOT标准。工作压力下，铝内衬的应力不得超过其材料屈服强度的60%；自紧处理后零压下，铝内衬应力不得低于其材料屈服强度的60%，且不得超过屈服强度的95%；复合材料气瓶的纤维应力比(最小爆破压力与工作压力下纤维层应力的比值)应不低于10/3。

b. ISO标准。复合材料气瓶的纤维应力比(最小爆破压力与2/3水压试验压力下纤维层应力的比值)应不低于2.4。

零压和工作压力下内衬的最大Mises应力随自紧压力的变化曲线如图4所示。可见，零压下内衬上最大Mises应力随着自紧压力的升高而增大；工作压力下内衬上最大Mises应力随着自紧压力的升高而降低。其主要是因为复合材料气瓶自紧后所产生的塑性变形随着自紧压力的升高不断变大，使得零压下内衬的残余压应力也不断变大，复合材料气瓶工作时在内压作用下产生的应

图4 最大Mises应力随自紧压力变化曲线

力一部分需要与自紧后产生的残余压应力相互抵消，因此出现随着自紧压力的升高，零压下内衬层的最大Mises应力不断增大，工作压力下内衬层的最大Mises应力不断降低的趋势。根据这一分析结果和DOT标准可初步判断出自紧压力的取值范围在62.4～67.8MPa之间。

笔者为了更准确地找出自紧压力的取值范围，根据DOT和ISO标准中关于复合材料层纤维应力比的要求作进一步分析。纤维应力比随自紧压力的变化曲线如图5所示。

图5 纤维应力比随自紧压力变化曲线

由图5可知，DOT纤维应力比和ISO纤维应力比均随着自紧压力的升高而降低，同时满足两标准中纤维应力比要求的自紧压力取值范围应不超过64.4MPa。

结合图4、5的分析，最终确定出全缠绕复合材料气瓶的自紧压力取值在62.4～64.4MPa之间。综合考虑复合材料气瓶的疲劳性能和碳纤维的利用率，可选取自紧压力的取值上限作为全缠绕复合材料气瓶的最佳自紧压力。经最佳自紧压力处理后，工作压力下复合材料气瓶内衬层和复合材料层的Mises应力如图6所示。

自紧处理前后，工作压力下气瓶的内衬和复合材料层的最大Mises应力值对比见表1。

表1 自紧前后气瓶内衬和复合材料层的最大Mises应力

由表1可知，经自紧处理后，35.0MPa全缠绕复合材料气瓶内衬层的承载能力提高了42.1%，复合材料层的纤维性能提高了38.7%。

4 结论

4.1未自紧情况下，全缠绕复合材料气瓶在工作状态下内衬层部分筒体已进入塑性应力状态，复合材料层的应力强度较低。自紧后，内衬层全部处于弹性状态，复合材料层的应力强度明显高于自紧处理前。说明自紧处理能够提高复合材料气瓶的承载能力和纤维强度的利用率。

4.2利用DOT-CFFC和ISO-11119两个标准对35.0MPa全缠绕复合材料气瓶进行自紧压力优化。结果表明当自紧压力为64.4MPa时，全缠绕复合材料气瓶的性能可达到最佳状态。

4.3经64.4MPa自紧压力处理后，35.0MPa全缠绕复合材料气瓶内衬层的承载能力提高了42.1%，复合材料层的纤维性能提高了38.7%。

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