自紧影响CNG-2气瓶疲劳寿命的主因探究

刘培启 周天送 古海波 刘 岩 李毅超

(1. 大连理工大学化工机械学院；2. 大连市锅炉压力容器检验研究院)

自紧影响CNG-2气瓶疲劳寿命的主因探究

刘培启1周天送1古海波2刘 岩2李毅超2

(1. 大连理工大学化工机械学院；2. 大连市锅炉压力容器检验研究院)

利用有限元数值分析，根据欧标EN13445-3-2009相关规定，对自紧影响气瓶疲劳性能的原因和规律进行研究。结果表明：随着自紧压力的增加，气瓶内胆工作压力下拉应力降低，但零压下压应力增加，使得内胆的应力幅基本保持不变，而平均应力降低。另外，依据EN13445-3-2009相关理论，得出应力幅不是自紧改善气瓶疲劳性能的主要原因，平均应力降低才是影响疲劳寿命主因的结论。

CNG-2气瓶 自紧 应力幅值 平均应力

压缩天然气汽车(CNGV)具有燃烧稳定性好、环境污染小及燃料价格低等优点，自诞生以来便获得广泛认可[1]。车载压缩天然气钢质内胆环向缠绕气瓶(以下简称CNG-2气瓶)作为一种经济、清洁、环保的燃气储运设备，是压缩天然气汽车最关键的专用装置之一[1～3]。近年来，由于气瓶泄漏、断裂及爆炸等事故频发，且事故破坏性大、辐射范围广，CNG-2气瓶的安全性受到前所未有的重视。在CNG-2气瓶所有失效形式中，疲劳失效所占的比例越来越大。疲劳失效是气瓶在反复充、放气的压力循环中，筒体出现的疲劳裂纹萌生、生长直至断裂的现象。若为横向断裂，危害性等同于爆炸；若在筒体中部先漏后破，则危害性相对最小[3]。

在CNG-2气瓶加工工艺中，通常采用施加一定自紧压力的形式改善气瓶的抗疲劳性能[4]。但是对于自紧改善疲劳寿命的真正原因，学者们的观点仍存在争议，甚至有些是错误的。谢志刚等认为在保证纤维应力比满足标准规定的前提下，为提高CNG-2气瓶疲劳性能，以尽可能降低工作压力下内胆的Von-Mises应力幅值为判据，认为Von-Mises应力幅是自紧影响疲劳的原因[3]。成志刚以疲劳试验压力下的SINT应力幅值为判据，根据应力幅值-循环次数曲线研究自紧压力对疲劳强度的影响[5]。郭亚芳从气瓶环向平均应力的角度进行研究，对比了不同自紧压力下的环向平均应力，认为环向平均应力是影响疲劳寿命的因素[6]。

笔者利用限元数值分析方法，根据欧盟标准EN13445-3-2009相关规定[7](以下简称EN13445)，对某公司生产的公称容积为80L的钢制内胆CNG-2气瓶进行自紧分析，系统地研究了自紧压力下气瓶的疲劳性能，对自紧影响气瓶疲劳性能的原因和规律进行探讨，对于统一学术观点、确定最优自紧压力、改善气瓶疲劳性能以及减少事故的发生等都有重要工程意义。

1 自紧原理

自紧工艺最早由美国航空航天管理局LEWIS研究中心提出[8]，该工艺能使内压容器发挥优良的抗疲劳性能，因此很快在工程实践中推广开来。在纤维缠绕气瓶的生产加工成型过程中，会对每只气瓶施加一定的自紧压力，气瓶在自紧压力作用下，内胆所受应力足以超过内胆材料屈服应力，从而产生永久的塑性应变。然而，由于纤维的应力-应变关系永远是弹性的，所以纤维缠绕层并不发生塑性应变。这样，当自紧压力卸载之后，由于内胆保留了一部分塑性变形，导致内胆和纤维缠绕层变形不一致，此时内胆受到纤维缠绕层的挤压而产生一个压应力，相应的纤维缠绕层会产生一个拉应力。当缠绕气瓶在工作压力下使用时，内胆就会经历一个从压应力到拉应力的过程，使气瓶内胆在工作压力下产生的应力与内胆卸载后的压应力相叠加，从而减小内胆在工作压力下的最大应力值，相对应的增加纤维缠绕层在工作压力下的应力值。

2 有限元分析

2.1模型的建立

市面上最常见的CNG-2气瓶的规格，按照其内胆公称外径大小可分为4个系列，即φ279、φ325、φ356、φ406mm。每种规格的气瓶力学状态相似，故笔者仅以某公司生产的公称直径为φ325mm、公称水容积为80L的CNG-2气瓶为例进行研究，分析不同自紧压力(30～38MPa)、不同疲劳压力(2～26 MPa)循环试验中的平均应力和应力幅值。该气瓶尺寸和设计参数如下：

内胆壁厚 4.8mm

下封头底部厚度 14mm

筒体长度 832mm

缠绕层厚度 4.89mm

缠绕层层数 13

工作压力 20MPa

疲劳试验压力 26MPa

水压试验压力 30MPa

设计寿命 15a

气瓶内胆由气瓶用无缝钢管经收底、收口加工而成，其材料为30CrMo；纤维层采用E玻璃纤维/环氧树脂复合材料。内胆和缠绕层材料属性见表1，缠绕层的力学性能参数见表2。

表1 内胆和缠绕层材料属性

表2 缠绕层力学性能参数

根据以上尺寸和材料参数建立CNG-2气瓶的1/4轴对称模型。内胆模型选用solid95单元，缠绕层模型层采用shell99单元；单层纤维层厚0.212mm，共13层。在建模过程中要注意复合材料的正交各向异性和大变形的几何非线性，纤维缠绕层单元的材料属性要和实际情况相一致，缠绕角相同，在缠绕层末端进行过渡。该气瓶的三维有限元模型如图1所示。

图1 CNG-2气瓶有限元模型

2.2不同自紧压力下内胆的应力分析

对建立的气瓶三维模型内表面施加均匀的压力载荷，在气瓶瓶口沿轴向施加对应的等效拉应力。采用多载荷步方法进行连续计算，内压载荷依次为自紧压力p1、卸载后零压p2=0MPa、疲劳循环压力下限p3=2MPa、疲劳压力循环上限p4=26MPa。由于在环缠绕气瓶的生产工序中，水压试验是必不可少的，根据自紧的工艺原理，要使自紧能够起到提高疲劳性能的作用，自紧压力必须大于水压试验压力。因此选取自紧压力从30MPa开始、以1MPa为增量依次施加，直到不符合国标GB 24160-2009对玻璃纤维的最小纤维应力比下限值的规定[9]。

根据相关标准规定CNG-2气瓶在正常使用期间的失效模式应该是“未爆先漏”，即失效是从内胆开始的，因此仅需对CNG-2气瓶内胆进行应力分析。经过有限元数值模拟得到气瓶内胆在不同工况下的应力分布见表3。

表3 不同自紧压力、疲劳载荷作用下的主应力值 MPa

3 自紧对疲劳性能影响的主因

在众多的疲劳评定标准中， EN13445第18章“疲劳寿命的详细评定”提供了一种最为详实有效的、用于计算两载荷状态之间等效应力范围和平均等效应力的方法。笔者将采用该标准中的方法计算2～26MPa疲劳循环压力范围内的等效应力范围、等效应力幅值和平均等效应力，对比分析自紧影响疲劳性能的原因和规律。

EN13445明确指出，在多轴应力状态下，等效应力范围应该用应力分量范围的等效应力来表示(该处的应力分量范围是指两种载荷状态下应力分量的差值)，而不能用两种载荷状态下等效应力的差值来表示。此时基于第三强度理论的等效应力范围公式为:

Δσeq=max{|(Δσ)1-(Δσ)2|；|(Δσ)2-
(Δσ)3|;|(Δσ)3-(Δσ)1|}

(1)

基于第四强度理论的等效应力范围公式为：

(2)

等效应力幅值定义为等效应力范围的一半，即：

σa=Δσeq/2

(3)

相应的平均等效应力等于载荷循环始、末两个主应力之和的最大值和最小值的平均：

(4)

现将在2～26MPa疲劳循环载荷范围内，根据以上公式计算出来的金属内胆在不同自紧压力下的等效应力范围、等效应力幅值和平均等效应力列于表4。

表4 2～26MPa疲劳载荷范围内的各等效应力计算值 MPa

在2～26MPa的疲劳循环载荷作用下，随着自紧压力的逐渐增加，等效应力幅基本保持恒定，即等效应力幅并不是自紧改善CNG-2气瓶疲劳性能的因素。有些学者计算出的等效应力幅是不断下降的，从而认为等效应力幅降低是自紧改善疲劳的因素之一，这种看法是错误的，原因是他们并未考虑到2MPa时内胆仍处于压缩状态，应将此时有限元软件提取的Sint/Mises等效应力值转换为负值后再进行应力幅值的计算。随着自紧压力的逐渐增加，气瓶所受的平均应力逐渐减小。根据剩余强度退化规律[10]，平均应力对强度退化起加剧作用，在相同的应力幅作用下，较大的平均应力能导致较快的强度退化，即增大了疲劳的累积损伤效应，降低了材料的疲劳寿命。

综合以上可以得出，应力幅值不是自紧改善疲劳的因素，平均应力才是自紧对钢制内胆CNG-2气瓶疲劳寿命影响的最主要因素。

4 结论

4.1根据EN13445相关理论，在疲劳循环载荷作用下，随着自紧压力的增大，CNG-2气瓶内胆的应力幅值基本保持不变，而平均应力随之降低。应力幅值不是自紧改善气瓶疲劳性能的主因，平均应力降低才是自紧影响疲劳寿命的主因。

4.2施加过一定自紧压力的CNG-2气瓶的受力特点是：在一个载荷循环开始时处于内胆压应力状态，载荷循环结束时处于拉应力状态，内胆经历了一个从压应力到拉应力的变化。相比一般的压力容器在载荷循环始终处于拉应力状态，可以直接按照应力幅值的大小进行疲劳评定的情形不同，CNG-2气瓶不能仅根据应力幅值进行疲劳评定，必须将平均应力的变化考虑在内。这种情况优先推荐使用考虑平均应力修正的EN13445进行疲劳评定。

[1] 郑津洋,李静媛,黄强华，等.车用高压燃料气瓶技术发展趋势和我国面临的挑战[J].压力容器,2014,31(2):43～51.

[2] 张应禄. 车用天然气缠绕气瓶安全分析[J].天然气工业,2009,29(4):102～104，144.

[3] 谢志刚,陈小芹,李方军.CNG2气瓶爆破机理分析与自紧压力优化设计[J].工业安全与环保,2013,39(1):13～15，37.

[4] 张传勇,万晓宁,张建伟.采用有限元法计算CNG2型气瓶自紧压力[J].压力容器,2008,25(4):21～23，32.

[5] 成志钢.自紧压力对车用玻璃纤维环向缠绕气瓶疲劳次数的影响研究[J].玻璃钢/复合材料,2014,(10):70～74.

[6] 郭亚芳.CNG复合材料缠绕气瓶自紧压力的优化[J].玻璃钢/复合材料,2013,(3):62～65.

[7] EN 13445-3-2009，Unfired Pressure Vessel[S]. Brussels：European Committee for Standardization，2009.

[8] 张仁良,陈金岳,曾欣.碳纤维复合气瓶自紧工艺及其应力分析[J].煤矿安全,2004,35(2):27～30.

[9] GB 24160-2009,车用压缩天然气钢质内胆环向缠绕气瓶[S].北京：中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，2009.

[10] 谢里阳,林晨,平安.疲劳过程中强度退化与平均应力修正[J].机械强度,1996,18(3):41～44.

MainCausesofAutofrettageEffectonFatigueLifeofCNG-2GasCylinder

LIU Pei-qi1, ZHOU Tian-song1, GU Hai-bo2, LIU Yan2, LI Yi-chao2
(1.CollegeofChemicalMachineryandSafetyEngineering,DalianUniversityofTechnology,Dalian116024,China;2.DalianBoiler&P.V.InspectionResearchInstitute,Dalian116013,China)

Through having FEM numerical analysis adopted and EN13445-3-2009 codes based, both reason and rules of autofrettage effect on the fatigue performance of CNG-2 cylinder was investigated to show that, with the increasing of autofrettage pressure, the steel liner’s tensile stress under working pressure can become decreased while compressive stress under zero pressure increases, and this can keep the stress amplitude con-

* 刘培启，男，1981年11月生，副教授。辽宁省大连市，116024。

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2015-08-11)

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