复合材料气瓶缠绕层的内部缺陷检测

复合材料气瓶具备质量轻、强度高、耐腐蚀与疲劳性能好等优势,但目前针对复合材料气瓶检验的国家标准主要以宏观检查为主,内外表面缺陷以及缠绕层的内部缺陷难以检出。分析了内部缺陷对复合材料气瓶的影响,对比并分析了3种缠绕层内部缺陷的检验方法,以期为复合材料气瓶的定期检验提供一定参考。

薄壁内胆碳纤维全缠绕复合材料气瓶轴向残余变形及屈曲分析

针对钛合金薄壁内胆碳纤维全缠绕复合材料气瓶水压试验后轴向缩短及内胆局部发生屈曲失稳现象,开展了试验研究及有限元分析.结果表明:自紧加卸载后,封头靠近极孔区域沿轴向向内凹陷,封头靠近赤道区域沿径向向外扩张,封头整体沿轴向变短,试验和有限元计算的轴向缩短量为6.15 mm和6.363 mm,误差为3.46%,有限元计算结果与试验结果具有很好的一致性.最后,采用多极孔法优化封头纤维层厚度分布,封头厚度极值降低32.6%,过渡更加均匀,优化后的气瓶沿轴向略有伸长,平均伸长为0.6 mm,采用CT和内窥镜检测,内胆均未出现屈曲失稳,有效地解决了水压试验后轴向缩短及内胆屈曲问题.

基于渐进损伤的Ⅳ型复合材料气瓶的爆破压强预测分析

本文引入Hashin失效准则,编译了USDFLD的子程序,通过ABAQUS-WCM软件实现了基于渐进损伤的Ⅳ型复合材料气瓶有限元数值模拟,并且最终缠绕成型复合材料气瓶进行爆破试验验证。渐进损伤的有限元分析结果表明,Ⅳ型复合材料气瓶的金属接头最大直径圆位置以及筒身段与封头过渡位置容易造成复合材料层的应力集中,为最先出现树脂基体以及纤维拉伸断裂失效的位置,并且树脂基体的失效先于纤维断裂失效,且失效面积较大。气瓶的爆破结果表明,预测的爆破压强和失效位置与真实试验结果较为接近,验证了模型的有效性。

国内外复合材料气瓶发展概况与标准分析(一)

复合材料气瓶在航天、航空和民用领域都有着广泛的应用,对复合材料气瓶的研制进展和典型应用进行了简要介绍,并分析了复合材料气瓶及其成型工艺的发展趋势,综述了航天、航空和民用领域复合材料气瓶标准的发展概况,并针对我国复合气瓶标准制定面临的问题进行了分析。

纤维缠绕复合材料气瓶内衬的屈曲分析

为深入了解纤维缠绕复合材料气瓶的内衬屈曲情况,基于ANSYS有限元软件,运用数值模拟方法对纤维缠绕复合材料气瓶的金属内衬结构进行屈曲分析,建立了复合气瓶内衬结构的有限元模型,采用特征值法分析得出内衬1~10阶的屈曲模态,并利用非线性稳定法绘出内衬位移量随外压变化曲线.结果表明,计算得到的内衬临界失稳外压为0.199 MPa,与复合气瓶内衬外压试验结果相符合,证实了本文对于复合气瓶内衬屈曲分析的可靠性.

缠绕张力对薄壁金属内衬复合材料气瓶性能影响

通过薄壁金属内衬的外压强度试验、不同缠绕张力NOL环以及复合材料气瓶的力学性能试验,采用声发射的检测方法研究缠绕张力对薄壁金属内衬复合材料气瓶的疲劳以及爆破性能的影响。结果表明,薄壁金属内衬的外压强度较小,缠绕张力对复合气瓶的疲劳以及爆破性能影响较大,采用声发射信号以及气瓶的性能试验研究可以指导制定最优化的缠绕张力制度。

复合材料气瓶有限元分析与爆破压力预测

利用ANSYS大型有限元程序建立了复合材料气瓶的有限元模型,建模中将纤维缠绕层作为复合材料层合板处理,考虑了封头处缠绕层厚度及缠绕角沿子午线不断变化的情况。针对建立的模型进行了气瓶在几个工况点下的变形分析,利用最大应变准则预测了气瓶的爆破压力。通过分析结果与相应试验结果对比,验证了建模与分析方法的正确性。

国内外复合材料气瓶发展概况与标准分析(二)

复合材料气瓶在航天、航空和民用领域都有着广泛的应用,对复合材料气瓶的研制进展和典型应用进行了简要介绍,并分析了复合材料气瓶及其成型工艺的发展趋势,综述了航天、航空和民用领域复合材料气瓶标准的发展概况,并针对我国复合气瓶标准制定面临的问题进行了分析。

缠绕张力对环缠绕复合材料气瓶应力的影响

提出了一种等效降温法,将缠绕张力产生的预应力等效模拟为复合材料层降温产生的预应力,通过理论推导得到了缠绕预应力与复合材料层降温量之间的计算公式,基于等效降温法并利用通用有限元软件研究了缠绕张力对环缠绕复合材料气瓶应力的影响。结果表明:随着缠绕预应力的增大,环缠绕复合材料气瓶内胆工作应力减小、复合材料层工作应力增大;缠绕张力预应力较大时会抵消自紧工艺效果,气瓶工作应力和纤维应力比主要受缠绕张力影响,在进行有限元应力分析和纤维应力比计算时应考虑缠绕张力作用。

复合材料气瓶铝内衬缺陷对疲劳及爆破性能的影响

研究了复合材料气瓶在生产过程中金属内衬存在的凹坑、裂纹以及腐蚀等的缺陷类型,并且对存有以上缺陷类型的复合气瓶进行疲劳及爆破实验,研究其对气瓶的性能影响。结果表明:金属内衬缺陷的存在会使得气瓶在承受内压载荷的过程中,金属内衬在缺陷位置出现应力集中,提前出现裂纹的扩展,使得金属内衬失效,无法充分发挥复合材料层高强度的优势,使得复合材料气瓶的疲劳失效次数及爆破强度大大降低,影响最终的使用性能。

车用压缩天然气全复合材料气瓶缺陷分析

在对车用压缩天然气全复合材料气瓶进行定期检验过程中,发现气瓶内胆出现鼓包和裂纹等缺陷。为了确定缺陷产生的原因,对复合气瓶内胆材质进行力学性能、微观分析、缠绕层和内胆材料线膨胀系数测试。在此基础上,采用工业CT方法分析了气瓶内压与缺陷产生的关系。分析认为,缠绕层与内胆材料线膨胀系数不同是复合气瓶产生鼓包和裂纹的根本原因,同时,充放气过程中的内压和温度的低周循环也是气瓶产生缺陷的重要因素。

卫星用复合材料气瓶性能

通过对环氧树脂、NOL环力学性能、金属内衬表面性能、复合材料真空质损和复合材料气瓶性能等进行研究和分析,研制出一种用于卫星推进系统的复合材料气瓶。结果表明:该复合材料气瓶经150次疲劳试验后爆破压强为86 MPa,容器特征系数达57.7 km,且满足真空使用环境要求。

纤维缠绕复合材料气瓶研究进展

纤维缠绕复合材料气瓶具有高比强度和比模量、抗疲劳、抗腐蚀等优点,已经成为研究的焦点.文中分析了纤维缠绕复合材料气瓶在国内外的研究进展,并进行了归纳总结,主要内容包括:纤维缠绕复合材料气瓶的国内外标准、制造过程中应考虑的主要因素、失效准则、失效模式以及优化设计.通过对比发现,Tsai-Wu失效准则预测的失效压力与实验值最接近.提出了一些预防复合材料气瓶失效的措施,对气瓶的安全使用有一定的借鉴作用.最后指出了未来研究的重点.

车用压缩天然气全缠绕复合材料气瓶强度试验及数值模拟

对压缩天然气燃料汽车气瓶进行水压试验,考核其承压部件的强度,同时进行爆破试验,以确定其最小爆破压力和爆破部位.考虑了复合材料各向异性以及气瓶封头处纤维缠绕厚度变化的特点,采用有限元分析软件对车用压缩天然气全缠绕铝内衬复合气瓶在预紧压力、0压力、工作压力、水压试验压力和最小爆破压力作用下的应力分布情况对比国外相应标准进行了分析和研究,预测出该气瓶的实际爆破压力.结果证明,有限元分析的结果与实际情况吻合得较好.

复合材料气瓶的多轴疲劳寿命预测研究

采用等效应变法计算气瓶疲劳寿命的ASME压力容器规范,不能考虑多轴非比例加载效应,具有明显的不足。针对复合材料气瓶,采用修正的Brown-Miller算法研究其多轴低周疲劳寿命,并分析了自紧压力、金属内衬厚度和单层缠绕层厚度对复合材料气瓶疲劳寿命的影响,给出了提高复合材料气瓶疲劳寿命的方法。

复合材料气瓶分层缺陷的红外检测数值模拟

针对复合材料气瓶分层缺陷不易被检测的问题,利用ANSYS有限元方法、红外检测技术,对复合材料气瓶分层缺陷进行红外模拟分析.研究了复合材料气瓶分层缺陷不同直径、深度、厚度对复合材料气瓶表面热像温度差、热像对比度的影响.结果表明,随着缺陷直径和缺陷厚度的增大,热像温度差峰值和热像对比度峰值也随着增大,说明分层缺陷越容易被检测出;随着缺陷深度的增大,热像温度差峰值和热像对比度峰值与深度呈反比关系,说明分层缺陷深度越小时,缺陷越容易被检测出.

薄壁铝内衬缠绕高压复合材料气瓶的疲劳及爆破性能研究

为研制高结构效率的复合材料气瓶,采用T700碳纤维/环氧树脂体系在薄壁铝金属内衬上缠绕成型复合气瓶,对其进行了水压自紧试验,100次0～36MPa水压疲劳试验以及水压爆破试验,并且采用声发射、应变测试等方法对试验过程进行检测。结果表明,经过水压自紧试验后复合材料气瓶具有较好的疲劳性能,100次疲劳对气瓶的损伤较少,并且经过疲劳后的气瓶爆破压强仍然达到88MPa,具有较高的结构效率。

环向缠绕混杂碳/玻纤维复合材料气瓶最优混杂比有限元分析

压缩天然气(CNG)复合材料气瓶主要应用于航空航天领域,因为传统的CNG复合材料气瓶安全问题日益突出,因此,把纤维混杂法应用到CNG气瓶已成为一种趋势.以CNG 2型气瓶为例,运用ANSYS软件建立了与实际工况相一致的碳/玻混杂纤维缠绕气瓶有限元分析模型,通过数值模拟和仿真分析,在获得碳/玻混杂纤维的当量厚度比的基础上,最终确定了两种纤维的最优混杂比.

复合材料气瓶有限元应力应变分析

本文利用ANSYS大型有限元程序建立了复合材料气瓶(金属内衬)的有限元模型,建模中将纤维缠绕层作为复合材料层合板处理,考虑了封头处缠绕层厚度及缠绕角沿子午线不断变化的情况。针对建立的模型进行了气瓶在几个工况点下的变形分析,通过在30MPa压力4、5MPa压力下的位移分析和试验测量对比,分析和试验结果分别为6.25MPa和5.86MPa、8.48MPa和7.69MPa,误差分别为9.3%、9.0%,均在10%以内。利用最大应变准则预测了气瓶的爆破压力约为66MPa。两次爆破试验中,测得的爆破压力分别为65MPa和68MPa。结果表明,建模与分析方法是正确的。

纤维环向缠绕复合材料气瓶冲击损伤容限研究

为研究纤维缠绕复合材料层CNG气瓶冲击后损伤容限问题,采用疲劳应变比率作为损伤变量,建立疲劳累积损伤模型;对气瓶缠绕层的冲击损伤剩余强度采用开孔等效计算方法,应用Nuis-mer-Whitney平均应力准则,关联疲劳累积损伤函数中的最大应力与拉伸载荷下的含孔层合板剩余强度的关系,建立适用于在疲劳载荷下的含孔层合板结构剩余强度的估算方法,用于复合材料CNG气瓶冲击剩余强度的预测。结果表明,文中提出的分析模型预测结果与专家提出的复合材料气瓶冲击损伤评定标准基本吻合。