储氢气瓶缠绕层缺陷的多尺度工业CT检测及其成因分析

高压储氢气瓶多采用碳纤维全缠绕方法制备,碳纤维缠绕层通常承担大部分内压载荷,一旦发生损伤将带来严重安全隐患。针对储氢气瓶和碳纤维缠绕层试件,利用工业CT几何放大成像原理,开展缠绕层缺陷的多尺度工业CT检测分析。依据缠绕层分层缺陷厚度对其进行分类,并分析各类分层缺陷的产生原因。利用光镜和扫描电镜技术,表征碳纤维缠绕层试件的显微组织,验证了工业CT开展分层缺陷定性、厚度定量,以及缠绕层缠绕方式判断的准确性。

含缠绕层缺陷大容积缠绕气瓶安全性能与评定研究

为研究缠绕层体积性缺陷及线性缺陷对大容积缠绕气瓶安全性能影响,通过对带有不同尺寸缠绕缺陷的大容积缠绕气瓶进行疲劳试验、爆破试验,并采用有限元分析等方法研究了不同尺寸的缠绕层缺陷对内胆应力状态、缠绕层应力状态影响。通过有限元分析,对于面积为250 mm×250 mm,深度为3 mm的体积性缺陷,内胆应力几乎未变,缠绕层应力增加38.9%,经历11000次疲劳试验,未发生变化。在爆破试验中,对于含面积为250 mm×250 mm缠绕层缺陷的大容积缠绕气瓶,当缺陷深度分别为3 mm时,爆破压力下降9.9%,略低于设计爆破压力,仍满足安全使用要求,当缺陷深度为6 mm时,爆破压力大幅下降20.9%。研究结果表明,对于轴向长度不超过250 mm,深度不超过3 mm的缠绕层缺陷,大容积气瓶安全性能仍满足使用要求,如缺陷深度超过3 mm,可评定为Ⅲ级。

含缠绕层缺陷大容积钢内胆复合材料气瓶爆破压力分析

采用有限元软件构建大容积钢内胆复合材料气瓶模型,并在缠绕层表面建立三个体积型缺陷。详细阐述了数值模型的构建过程,重点分析了在设计爆破压力(50 MPa)下含不同缠绕层表面缺陷的气瓶内胆和缠绕层应力分布及大小,通过最大应力准则预测了各自情况下的爆破压力,与气瓶水压爆破试验数据进行了对比,并在此基础上研究了不影响爆破压力的缠绕层表面临界缺陷尺寸。模拟结果表明:缺陷对内胆应力影响较小,但缠绕层应力会因此急剧增大;爆破压力则是明显减小,且深度对其影响更大;针对本文讨论的气瓶,给出了临界面积为200 mm×200 mm,临界深度为1 mm这一结论。