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11 000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。     

环缠绕钢内胆复合气瓶轴向破裂原因分析

为了研究环缠绕钢内胆复合气瓶(CNG-Ⅱ)轴向破裂原因,对实际CNG-Ⅱ气瓶水压爆破试验中出现轴向破裂的气瓶进行有限元分析。对比水压爆破试验结果和有限元分析结果,验证有限元建模的准确性。在此基础上,对受试气瓶进行应力分析,研究气瓶内胆和缠绕层的应力分布,得出气瓶在爆破压力下,内胆筒体段轴向应力大于环向应力,产生超压破坏,发生轴向破裂。     

缠绕层表面缺陷对CNG-2复合气瓶爆破压力的影响

为了研究复合材料层表面缺陷对于CNG-2复合气瓶爆破压力的影响,通过考察实际的表面缺陷形状,将复合层表面缺陷简化为一定尺寸的矩形槽。对带有2 mm深度矩形槽型缺陷的复合气瓶进行爆破试验,并利用有限元数值计算软件ANSYS计算其爆破压力,以分析2 mm深矩形槽型缺陷对气瓶爆破压力产生的影响及其原因。结果表明,矩形槽型表面缺陷对于气瓶内衬应力的影响并不明显,而对缠绕层应力影响较大,缠绕层矩形槽型缺陷底面的应力超过复合材料抗拉强度保证值,使得复合气瓶爆破压力减小。     

缠绕层表面2 mm 深椭圆损伤对 CNG -Ⅱ复合气瓶应力的影响

为了研究缠绕层外表面损伤对于CNG-Ⅱ复合气瓶安全性能的影响，通过考察实际气瓶表面损伤形状，将复合气瓶表面损伤简化为一定尺寸的椭圆形凹坑。对缠绕层表面带有2 mm深度椭圆形凹坑损伤的复合气瓶进行爆破试验，利用有限元软件ANSYS计算其爆破压力。比较试验爆破压力和数值分析结果，验证数值分析方法的正确性。在此基础上，对带椭圆形凹坑损伤的CNG-Ⅱ复合气瓶进行应力分析，得出缠绕层外表面椭圆形凹坑损伤对气瓶安全性能造成不良影响。     

CNG-2型气瓶用玻璃纤维增强材料耐腐蚀性能分析

为了了解车用压缩天然气钢质内胆环向缠绕气瓶(CNG-2型气瓶)所用玻璃纤维的耐腐蚀性能,测试和比较了两种常用的玻璃纤维E-CR玻璃纤维和E-玻璃纤维的成分、物理性能、耐酸性、应力腐蚀性能等。通过干纱失重试验、应力腐蚀试验及酸腐蚀试验等研究可知,对于CNG-2型气瓶来说,E-CR玻璃纤维比选择E-玻璃纤维拥有更高强度和耐腐蚀性能,因此,选择E-CR玻璃纤维对气瓶的安全性能提高具有更可靠的保证。     

气瓶内衬屈服强度对环缠绕复合气瓶疲劳性能影响的研究

为考察气瓶内衬材料的屈服强度对环缠绕复合材料气瓶(CNG-Ⅱ)性能影响,利用有限元数值模拟的方法,在气瓶的结构参数、纤维缠绕层参数、内衬材料的抗拉强度、自紧压力一定的情况下,研究内衬屈服强度变化对气瓶疲劳寿命的影响。有限元分析结果表明,随着内衬材料屈服强度的增加,CNG-Ⅱ复合气瓶的自紧效果变差,工作压力下所受环向平均应力增大,疲劳寿命降低。同时,对三种不同规格尺寸的环缠绕气瓶在不同屈服强度下的疲劳试验数据进行分析,进一步验证了复合气瓶的寿命随着内衬屈服强度的增加而减小。因此,在CNG-Ⅱ复合气瓶的生产过程中,有必要在一定程度上降低内衬的屈服强度,以改善复合气瓶的性能。     

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。     

车用铝内胆碳纤维全缠绕氢气瓶设计要点

国家“十一五”863计划将铝内胆碳纤维全缠绕气瓶做为未来车载储氢容器的研究方向;适当增加内胆壁厚,增长裂纹扩展“路程”,提高疲劳寿命;铝内胆设计承载比例不宜小于12％;根据内胆材料应力一应变曲线、内胆和纤维的力学性能确定内胆设计应力取值为σa=σbσsa／σsb并可计算出内胆设计壁厚;内胆封头型式以矢高为1．25R／2左右的椭球为宜;螺旋缠绕角从与瓶颈相切的最小缠绕角开始逐渐增大,避免纤维严重堆积、架空,有效利用极孔处堆积纤维的过剩强度,提高成层质量和强度利用率;碳纤维首层张力不宜超过65N／mm^2,首次递减量不宜超过上一层纤维张力的4．0％;纤维排列状态设计应充分考虑工艺的可行性,确保稳定、高质量地实现设计;通过自紧,内胆应至少获得不小于1．3％的应变,最小理论自紧压力可近似计算为PZ=kPba／A。     

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。     

基于ABAQUS含分层缺陷塑料内胆纤维缠绕气瓶红外检测研究

将ABAQUS有限元分析方法的计算结果和含分层缺陷塑料内胆纤维缠绕气瓶红外检测试验的实测结果进行对比。结果表明,基于ABAQUS的有限元计算结果与试验结果最大误差为16.36%,网格独立性检验表明,网格数量对有限元计算结果影响很小,最大误差为0.25%,在实际工程允许误差范围内,证明了有限元计算结果的准确性,为后续基于有限元方法研究含缺陷塑料内胆纤维缠绕气瓶红外检测提供借鉴。