张刚翼;齐磊
【摘 要】本文选用中复神鹰碳纤维有限责任公司生产的SYT49碳纤维为增强材料,针对6.8L常规的复合材料压力容器进行了初步缠绕设计,完成了压力容器的制备,确定了SYT49碳纤维在复合气瓶缠绕领域的强度利用系数;利用有限元分析平台,通过建立模型完成了对该压力容器在最小爆破压力工况下的应力分析.结果表明:SYT49碳纤维的强度利用系数为0.82,与日本东丽T700S相当;应力分析情况与实际爆破结果相吻合,在验证设计的准确性同时,为碳纤维缠绕的设计提供了参考. 【期刊名称】《纤维复合材料》
【年(卷),期】2017(034)001
【总页数】4页(P11-14)
【关键词】SYT49;纤维缠绕;强度利用系数;应力分析
【作 者】张刚翼;齐磊
【作者单位】中国复合材料集团有限公司,北京100036;中国复合材料集团有限公司,北京100036
【正文语种】中 文
碳纤维全缠绕铝合金内衬压力容器不仅具有了铝合金材料密度低、加工性好、密封性优良、延展性好、抗裂纹增强性能好等特点，同时兼备碳纤维复合材料质量轻、比强度、比模量高、安全性好以及可设计性强等优点[1-2]。近二十年来国内在纤维缠绕复合材料压力气瓶的研制方面取得了长足进步[3,5]，纤维缠绕压力容器逐渐取代了全金属压力容器，在相同容积、承受相同内压情况下，复合材料气瓶的重量大约是钢瓶的50%～60%。
碳纤维复合材料的性能不仅仅与纤维及树脂本身的强度有关，它还和纤维与树脂复合时形成的界面特性有关。日前市场上基本所有的复合材料缠绕压力容器所采用的碳纤维均为进口碳纤维(如日本东丽、三菱丽阳等)，本文考虑到国产SYT49碳纤维与进口碳纤维可能由于上浆剂和表面处理方法差别带来的不同表面特性，以网格理论为基础，对缠绕层进行了
初步设计和详细计算，采用专有缠绕技术完成了压力容器的制备，确定了SYT49碳纤维的强度利用系数；利用有限元分析软件建立模型，计算了复合材料气瓶处于极限压力下的应力分布情况，并与复合压力容器爆破试验结果进行了对比，对本文所述国产碳纤维复合材料气瓶的设计准确性进行了验证。
2.1 实验材料
CYD128环氧树脂，中石化巴陵石油化工有限责任公司；固化剂甲基四氢苯酐、促进剂甲基六氢苯酐，天津合成材料研究所；树脂体系质量比为100∶83∶1。SYT49-12K碳纤维，中复神鹰碳纤维有限责任公司，体密度1.8 g/cm3；线密度800 g/1 000 m；复丝拉伸强度≥4 900 MPa。
2.2 实验方法
(1)复合材料压力容器的制备
将树脂、固化剂和促进剂按质量比混合，搅拌均匀注入胶槽，利用DN450-2000型号四维三轴数控缠绕机在铝合金内衬上缠绕制备压力容器，纤维体积含量为66%；安娜卡列尼娜论文
该压力容器具体规格为：公称容积V=6.8 L，铝合金内衬外径Ф=144 mm，直筒段长度L=380 mm，压力容器的公称工作压力为P=30 MPa，最小爆破压力为Pb=102 MPa，固化工艺如图1所示：
(2)爆破实验
按照GB 15385-2011《气瓶水压爆破试验方法》，利用D-SY200型水压爆破试验机对压力容器进行爆破，记录爆破值及爆破位置情况。
3.1 压力容器缠绕设计计算与缠绕工艺的实现
纤维缠绕圆筒压力容器的圆筒段一般为单一螺旋缠绕或螺旋缠绕加环向缠绕两种，而封头只能是单一螺旋缠绕，且与圆筒的螺旋缠绕同时成型。本文涉及压力容器结合两种缠绕方式制备而成，螺旋缠绕一般要满足测地线缠绕。
筒身缠绕角公式为：
其中，r0为极孔半径(本文所述气瓶瓶嘴极孔r0半径为15 mm)；R为铝合金内衬半径。
代入数据求得：缠绕角a0=13。
螺旋加环向纤维缠绕压力容器设计的关键即为确定其壁厚。经验公式推导中，σb在理论上是作为纤维强度出现的。但在实际设计计算时，由于网格理论本身是非常理想化的，它既不考虑基体树脂的影响，也不考虑缠绕层次、缠绕张力和纤维受力不均匀的影响，更不可能考虑内纤维与基体界面作用的影响，因此需要引入一些修正参数，保证设计的裕度和准确性。
在以网格理论为基础且满足均衡型缠绕[7]条件下，其壁厚由式(2)给出。
增殖税其中，Pb =102 MPa；σb=4 900 MPa，f为纤维强度利用系数，参照文献初步选定f=0.8；a0为缠绕角；kf为应力平衡系数，考虑到压力容器封头端椭球的形状与尺寸，取kf=0.8[7]。
代入已知数据可以得出：
tf90=1.82 mm；tfα =1.23 mm
考虑到本文所涉及压力容器尺寸和生产效率等因素，最终采用2束纤维进行缠绕，设定2束碳纤维的环向宽度b90=9 mm，螺旋宽度ba=7 mm；先玉335 转基因
一条纱带的截面积见式(3)所示：
代入已知数据可以得出：
单层环向缠绕纱厚度
单层纵向缠绕纱厚度
结合所需螺旋和环向所需厚度可以计算得出：
环向缠绕层数N90=18.4≈19层
声波识别螺旋缠绕层数Na=9.68≈10层
可以算出实际缠绕厚度为：
环向缠绕厚度t90=1.88 mm
螺旋缠绕厚度ta=1.27 mm
根据以上计算结果，结合缠绕的可行性，根据环向缠绕和螺旋缠绕交叉的原则，按照902/132/902/132/902/132/902/132/902/132/903的缠绕顺序，依据逐层张力递减的原则完成压力容器的制备。
3.2 SYT49碳纤维强度利用系数的确定
为了确定SYT49碳纤位的强度利用系数f，本文选取了不同批次的SYT49碳纤维，完成了压力容器的制备，并对该压力容器进行了水压爆破处理，典型的压力容器爆破形态如图2所示。
碳纤维的复丝拉伸强度与爆破结果如表1所示。
将以上5组试验数据和实际碳纤维缠绕厚度带入网格理论经验公式(2)中求解，可以得出五批纤维的强度利用系数分别为：f1=0.82；f2=0.83；f3=0.82；f4=0.84；f5=0.81；
可以得出SYT49碳纤维的平均强度利用系数f=0.824，考虑设计裕度，最终确定优化后的SYT49强度利用系数为0.82。已经有文献[8]报道，日本东
丽T700S碳纤维全缠绕直径为 150 mm容器，强度利用系数为0.83，SYT49碳纤维的强度利用系数与其相当。
3.3 最小爆破压力情况下的有限元强度校核
为了验证以上设计的合理性，以及标准诸如DOT-CFFC、GB28053-2011针对直筒类压力容器爆破时需要破坏起始位置必须在直筒段的要求，针对以上设计的压力容器进行了有限元模拟，对该压力容器处于最小爆破压力时的应力分布进行了分析，表2为内胆材料的性能参数，表3为所用碳纤维环氧树脂复合材料性能参数。
久石让 让子弹飞应力分析使用“Abaqus 6.10”有限元软件，铝内胆使用C3D8R单元，碳纤维复合层使用S4R单元。有限元网格的划分见图3，分析中考虑了大变形的几何非线性和铝内胆的材料非线性。计算结果如图4所示，模拟最小爆破压力工况条件下的应力分布显示，碳纤维复合材料层的σ1和σ2最大应力均位于直筒段部分，这与3.2中实际样品的爆破位置在直筒段相吻合。这在验证本文所述压力容器初步设计的准确性同时，为复合材料压力容器的设计提供了参考。
预警机的作用
(1)在网格理论的基础上完成了压力容器的初步设计，制备了复合材料气瓶，结合爆破试验优化了原有经验公式，确定了SYT49碳纤维的强度利用系数为0.82，这与日本东丽T700S碳纤维强度利用系数基本相当；
(2)采用有限元分析手段，确定了压力容器在模拟最小爆破压力工况下最大应力的分布情况，这与实际爆破结果相吻合，同时提供了一种非破坏式验证复合材料缠绕类压力容器设计合理性的可能，为今后的碳纤维气瓶设计提供参考。
【相关文献】
[1] 陈海燕，杨海，于立英，等. 复合材料气瓶内加热固化成型方法及数值模拟研究[J]. 工程塑料应用, 2014, 12(42): 52-57.
[2] 张洁. 国内复合材料气瓶发展及气瓶标准概况[J].纤维复合材料，2007(3): 38-42.
[3] 王晓洁，张炜，刘炳禹，等. 高性能碳纤维复合材料耐压容器研究进展[J] . 宇航材料工艺, 2003, 33 (4): 20-23.
[4] 林再文，侯涤洋，陈平，等. 薄壁铝内衬芳纶缠绕高压气瓶的研制[J]. 纤维复合材料, 2003, 20 (1): 30-32.
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