纤维缠绕复合材料气瓶的发展过程及其损伤检测方法

沈书乾 覃荣江 段志宏 李程 齐洪洋

摘要：本文重点介绍纤维缠绕复合材料气瓶的发展过程，并在此基础上简单介绍声发射用于其损伤检验的先进性。

关键词：纤维；缠绕；复合材料；气瓶；声发射；损伤

中图分类号：TQ050.4；TQ053.2 文献标识码：B 文章编号：1672-9129（2019）04-0045-04

Abstract： This paper focuses on the development of fiber-wound composite gas cylinders， and on this basis， briefly introduces the advanced nature of acoustic emission for its damage inspection.

Key words： fiber； winding； composite； gas cylinder； acoustic emission； damage

1 前言

随着纤维缠绕复合材料壳体结构使用需求的增大，纤维缠绕工艺也在快速发展，纤维缠绕壳体以其比强度比模量高、抗疲劳性好和低热膨胀系数等优点而备受推崇。早期的复合材料壳体研究主要集中在经典力学分析方法上，随着计算机技术的迅猛發展，采用以有限元法为代表的数值模拟方法对复合材料缠绕结构进行力学性能研究已经成为发展趋势。

由于目前存在全球性的能源危机、环境污染和温室效应等问题，氢能以其广泛的优点而被认为是最有前景的下一代无污染能源，然而目前氢能的储存问题是氢能源能否被广泛应用的瓶颈之一，集中体现在了下述三方面：低温储氢技术、储氢设备材料和气体压缩。当前面临着氢能源存储应用上的困难和制造成本过高等问题，因此氢能源仍然未能在民用领域发挥其巨大的潜在价值。最早的用于纤维缠绕复合材料壳体结构分析方法是网格理论分析方法。由于该方法忽略了复合材料中基体作用而将纤维增强体作为主承力部分，进而成为工程领域应用十分广泛的简便方法。Leknitskii S G奠定了各向异性材料的力学研究基础，针对基体作用对纤维缠绕复合材料缠绕壳体性能的影响不能被完全忽略，许多学者通过解析方法对不同载荷状态下复合材料壳体建立了应力分析模型，然而这期间大多数研究都有局限性，直到后来建立了取代应力分析模型的基于控制方程的通用模型。尽管网格理论分析方法在爆破压力预测等方面表现出良好的预测能力，但是由该方法所能获得的参数十分有限并且因忽略基体作用而造成不可避免的误差，因此亟需一种求解能力更强并且考虑基体作用的复合材料缠绕结构的分析方法。

20世纪50年代发展起来的有限单元法已经成为复合材料结构分析中强有力的工具，在解决各向异性材料的材料非线性、几何非线性和边界条件非线性方面表现出出色的求解能力。Hoa S V 等提出的三维有限单元模型在解决纤维增强复合材料的应变不连续问题中起到了非常重要的作用，因此目前国际上有大量的基于有限元法的复合材料结构分析方面的研究。纤维缠绕复合材料气瓶在生产加工、运输和使用过程中不可避免的会受到冲击作用，冲击作用造成的损伤是复合材料性能退化重要的原因之一。因而从设备防护和使用安全性角度考量，研究不同能量的冲击作用、不同接触面积的冲击作用以及不同角度的冲击作用等因素对纤维缠绕复合材料气瓶造成的损伤，以及对存在这种冲击损伤的复合材料气瓶的剩余强度展开研究是非常必要的。

声发射（Acoustic Emission，简称AE）是指物体在受到形变或外界作用时，因迅速释放弹性能量而产生瞬态应力波的物理现象。随着声发射研究领域的扩大，声发射的含义也已广义化，如泄漏、轴承的滑动、钻井过程和木材干燥时发出的声音等也被称为AE[1]。

2 纤维缠绕气瓶的发展

2.1 内胆

内胆不主要承载压力，但却是储存液体，防止液体泄露，同时还是提供对外接口的载体，因内胆此必须满足高比屈服强度、质量较轻、双轴延展性、易加工成型、抗裂纹增长性能和抗腐蚀性能高等要求[2]。

2.2 纤维

我们用的纤维主要是碳纤维，玻璃纤维和芳纶纤维。纤维缠绕层是承载压力的主要缠绕层，一般的缠绕层可能承担75%～95%的载荷。因此，纤维增强材料应满足高强度、高模量、低密度、树脂浸润性好、热稳定性好、具有良好的缠绕工艺和纤维与基体的热膨胀系数比较接近或一致等要求[3]。

2.3 基体材料

基体材料主要是起粘接纤维，保护纤维免受外界环境的损伤的作用，因此基体材料应满足湿热性能好、良好的工艺性和一定的塑性和韧性等要求[4]。

根据缠绕气瓶所用的原材料和工艺方法，复合材料的缠绕气瓶可分为以下几种类型：（1）金属内衬环向缠绕复合材料气瓶：在内压作用下，圆筒形缠绕气瓶的筒体段的环向应力为轴向应力的2倍。金属气瓶的薄厚只能按环向应力计算。因此，我们需要提高复合材料缠绕气瓶的环向承载能力。（2）金属内衬全缠绕复合材料气瓶：对于金属内胆全缠绕复合气瓶，复合材料承担了大部分的内压载荷。其中金属内衬的厚度设计也分为承载和不承载两种情况。即使内胆承载一部分压力，但是与复合材料相比也很小的部分。（3）塑料内衬全缠绕复合材料气瓶塑料内衬是一类非承载内衬，只起密封作用和作为缠绕的芯模。这类复合材料气瓶与其它结构的气瓶相比重量最轻，制造成本低，投资少，容易满足大容量要求，因此具有一定的市场潜力。但是这类气密性和耐温性能欠佳[5]。

3 国内复合材料气瓶的发展概况

纤维缠绕气瓶目前在呼吸器缠绕气瓶和车用压缩天然气缠绕气瓶这两个领域应用广泛。在20世纪50年代，纤维缠绕气瓶是在火箭发动机复合材料机壳技术中应用。最早的时期，在橡胶内胆上用玻纤浸渍环氧树脂缠绕形成缠绕气瓶，载重量方面，虽然橡胶内胆比钢质内胆较轻，但缠绕层的玻纤的抗应力能力较低、静态疲劳能力和气体渗透率较大，所以早期的缠绕气瓶需要的安全系数较高。之后到20世纪60年代开始使用金属内胆，对于一部分内胆足够厚的气瓶，便可以采用纤维全缠绕或环缠绕的形式。纤维缠绕气瓶的金属内胆渗透率比橡胶内胆的低，但金属内胆的寿命却受到限制。一般金属内胆在100～1000次的循环后可能产生开裂甚至到泄漏，而在10000～30000次的循环后厚壁内胆可产生泄漏。在20世纪70年代，在铝内胆或钢内胆上缠绕玻璃纤维和芳纶纤维的纤维缠绕气瓶在商用方面的应用开始有所增加，一般用于消防呼吸器、民用飞机滑梯充气以及海军救生筏充气。在20世纪80年代，压缩天然气车用瓶成为纤维缠绕气瓶的主要市场之一。在20世纪90年代，纤维缠绕气瓶开始使用新材料碳纤维，这是一个重大的发展。北京玻璃钢研究设计院针对无焊缝铝合金内胆纤维缠绕气瓶开展了研究工作，在铝合金内胆的选材、成型方法和复合材料的选材及成型工艺方面取得了初步的研究成果。中国汽车工业总公司重庆汽车研究所对CNGV内胆中可能影响钢质气瓶的因素进行了系统的研究，在热处理工艺、断裂韧性、内外表面的强化方法及力学性能各因素的研究取得了一定的研究成果；目前钢制内胆和纤维缠绕层的模量在疲劳试验中进行的匹配问题进行了深入的研究，考虑表面残余应力，疲劳应变和变形匹配及其疲劳模量，提出了提高纤维缠绕层的张力缠绕工艺。王荣国等提出了一种预测封头部位纤维铺层厚度分布的方法，以真实反映并建立压力容器的有限元模型。王爱军等运用有限元的计算分析方法研究了复合材料圆管的能量吸收问题，并与实验所得结果较为吻合。杨乐等通过数值模拟计算和分析了在内压作用下的复合材料壳体封头的变形，其结果与水压试验大体符合。国外学者对复合材料气瓶的研究较为深入，较多地研究分析了复合材料的性能或整个容器的各类极限问题。李天明等计算了复合材料高压气瓶的封头纤维应力，从适用于短粗型复合材料压力容器封头设计计算的型面方程推导，提出了适合工程应用的数值方法。陈汝训等把复合材料气瓶的内衬看成理想弹塑性材料，推导了复合材料气瓶相关的计算公式，同时也提出了关于提高封头疲劳工况下的强度的设计方法，证实了通过缠绕张力来提高复合材料强度的可行性。张国通过ANSYS对纤维缠绕复合材料气瓶参数化建模，分析了复合容器的结构设计。娄小杰对具有球型封头的复合材料压力容器的结构设计方法进行了详尽阐述，并对成型工艺等问题做了探讨。雷闽等为了确定复合材料气瓶内胆出现鼓包、裂纹缺陷产生的原因，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。

4 国外复合材料声发射检测技术研究进展

纤维缠绕气瓶的国外发展概况如下：在20世纪60年代，纤维缠绕气瓶在卫星及航天应用广泛；在20世纪70年代，美国运输部批准的玻纤和可夫拉（Keular）纤维的环缠绕气瓶应用于开始投入民用市场。之后在民用商业市场开始使用纤维缠绕气瓶并且应用比较广泛[23]。在20世纪80年代开始，大多数国家开始陆续将复合材料缠绕气瓶应用于商业市场，其中呼吸器缠绕气瓶成为复合材料气瓶的最大市场。在20世纪90年代，国际标准化组织（ISO）和欧洲标准化技术委员会（CEN）以及天然气汽車联盟联合起草批准了纤维缠绕气瓶的标准，批准塑料内胆复合纤维缠绕气瓶即四型瓶即将成为缠绕气瓶的主要市场之一。目前，对复合材料CNG气瓶的研究与开发，美国科技公司、林肯公司和hdyorpsni公司走在世界的前列，他们已开发出超过十余种不同规格的复合材料气瓶。

Murray等运用有限元软件计算了多种不同尺寸的复合材料管的轴向失稳载荷，并且阐述分析了有限元法计算的难点和计算时应该注意的一些问题。Kabir假设复合材料气瓶的内衬和复合材料层分别是理想弹塑性材料和弹性材料的情况下，考虑了复合材料层与内衬边界处的接触应力分布情形，并进行接触分析，计算了其封头在等应力条件下的强度。Chamis等分析了复合材料内压管件破坏失效的全过程，还研究了它的损伤容限问题。

5 复合材料气瓶的研究意义

国内外有很多企业和科研机构从事复合材料气瓶的研发与生产，国外的单位有美国SCI公司、俄罗斯依热夫斯基钢瓶有限公司、法国HM公司和美国John Hopkins大学等，国内的单位有北京天海工业有限公司、苏州中材科技有限公司、重庆益峰高压容器有限责任公司和北京化工大学等。

复合材料容器应用广泛，但是，复合材料容易老化，耐冲击性能差，使用中经常出现裂纹、分层损伤，致使复合材料结构性能下降，严重时造成重大经济损失，因此，在使用前和使用过程中的安全检验和强度预报就显得尤为重要。复合材料每种损伤形式对复合材料的整体性能都有不同程度的影响，所以复合材料特性的研究离不开对这些损伤形式的研究，而每一种损伤在其发生、发展中都有明显的声发射特征。

6 结束语：

声发射方法对于这些损伤过程的分析都非常及时、有效，恰当的使用声发射技术，不但可以大大减少维修费用，更可以用工厂设备的完善使用提供有力依据。所以声发射技术是研究复合材料损伤、破坏机理及强度性能的最有效的方法之一。通过复合材料气瓶研究，可以在碳纤维复合材料容器损伤过程中声源发射机理、声源特性以及声波的传播过程的研究，碳纤维复合材料容器损伤声发射信号的处理技术研究等方面取得进一步的发展，为碳纤维复合材料容器结构完整性评价提供科学的理论依据。目前，中国石油吉林石化股份有限公司有意致力于国产碳纤维大型复合材料CNG气瓶的研发与应用，正在准备开展这方面的研究工作。实验表明外层纤维作为主要的承载体，承载着绝大部分的压力载荷（75%～95%），通常釆用玻璃纤维环氧树脂或碳纤维环氧树脂高性能复合材料。

参考文献：

[1] 戴光，徐彦廷，李伟，张颖.声发射技术的应用与研究进展.东北石油大学学报.2001（3） .

[2] 张永明.车用纤维环向缠绕复合材料气瓶碰撞试验损伤容限研究[D].上海.华东理工大学，2011.

[3] 徐君臣，银建中.纤维缠绕复合材料气瓶研究进展[J].应用科技，2012，39（4）：64-71.

[4] GB 19533—2004《车用压缩天然气钢质内胆环向缠绕气瓶》[s] .

[5] 苏文献，祝彦寿，马宁，李霁.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[J].上海理工大学学报，2010，32（2）：174-178.