6.8L玄武岩纤维全缠绕复合材料气瓶的研制及试验研究

选用玄武岩纤维为增强材料,针对市场上常规的6.8 L呼吸气瓶,进行了气瓶的纤维缠绕层计算和样品制备,并对气瓶进行了爆破及疲劳实验。结果表明:本研究所研制6.8 L玄武岩纤维气瓶爆破压力为98 MPa,0~30 MPa压力循环试验10 000次气瓶未泄漏,满足设计要求,证明了玄武岩纤维应用于压力容器领域的可行性。     

铝内胆碳纤维全缠绕气瓶铺层设计

铝内胆碳纤维全缠绕气瓶的铺层设计主要基于网格理论,但该方法仅能得出满足爆破强度的参数,不能满足对铝内胆疲劳性能的要求,因而难以适应气瓶产品的设计需要.将网格理论与铝合金S-N曲线结合,提出一种基于铝合金疲劳寿命设计纤维缠绕层厚度的新方法.依据该方法给出的缠绕层厚度构建有限元模型,通过数值模拟确定合理的自紧力,计算不同载荷下的气瓶应力分布,根据爆破试验数据,利用有限元模型预测气瓶的爆破强度、失效位置及失效形式.结果 表明:该设计方法可便捷地得出满足性能要求的气瓶缠绕层厚度;自紧力合理值可根据设计预期通过有限元分析得出;疲劳载荷下的缠绕层应力设计值与模拟值,偏差在允许范围内;运用该方法设计的气瓶能够同时满足疲劳和爆破性能指标,且失效位置、纤维应力比也符合标准规定.     

铝内胆复合材料储氢瓶爆破压力与疲劳寿命关系研究

针对在铝内胆复合材料储氢瓶（又称为“III型储氢瓶”）设计阶段难以根据设计的气瓶爆破压力和疲劳寿命确定内胆厚度和纤维应力比的问题,研究了III型储氢瓶爆破压力与疲劳寿命的关系。首先,构建了III型储氢瓶的有限元计算模型,提出了基于有限元的气瓶爆破压力和疲劳寿命的预测方法,分析了在内胆厚度和纤维应力比两个因素影响下III型储氢瓶的应力分布状态。其次,研究了内胆厚度和纤维应力比对III型储氢瓶爆破压力和疲劳寿命的影响规律,结果表明：在一定的内胆厚度和纤维应力比范围内,增大内胆厚度,气瓶爆破压力提升较小;增大纤维应力比,则气瓶爆破压力提升较大;III型储氢瓶对数疲劳寿命与内胆厚度和纤维应力比均基本呈线性关系。最后,基于纤维缠绕压力容器爆破压力计算公式和III型储氢瓶对数疲劳寿命拟合关系式,得到了不同条件下III型储氢瓶爆破压力与疲劳寿命的关系式。研究结果可为III型储氢瓶结构的优化设计提供参考。     

专利技术

一种轻金属内衬玄武岩纤维全缠绕复合气瓶及其制造工艺,包括：一轻金属内衬;复合有环氧树脂材料的玄武岩纤维缠绕层,该玄武岩纤维缠绕层形成于所述轻金属内衬外表面上,且通过该玄武岩纤维缠绕层中的环氧树脂材料使其与轻金属内衬紧密地粘结成一体;以及涂覆于所述玄武岩纤维缠绕层外表面的保护胶层。本复合气瓶满足合理的应力场分布,保证复合气瓶在使用最小的纤维用量条件下能承受最大的爆破压力,具有持久的良好气密性能和最佳的安全性能。     

聚酰亚胺纤维与碳纤维缠绕复合气瓶性能对比研究

本文主要研究高性能国产聚酰亚胺纤维在复合材料气瓶上的应用,并表征其与进口碳纤维的性能差距.采用国产聚酰亚胺纤维进行缠绕成型工艺优化与复合材料性能测试分析,在测试数据及工艺优化基础上针对其进行了复合材料气瓶的强度设计.分别采用聚酰亚胺纤维、进口T300、T700以及T800碳纤维缠绕成型复合材料气瓶,进行水压爆破压强的测试,并引进声发射检测技术对其在水压过程中的损伤信号进行监测分析.结果表明聚酰亚胺纤维缠绕工艺性良好,与树脂界面结合优异,适用于湿法缠绕成型工艺.复合材料拉伸强度达到1 708 MPa,纤维的强度发挥率高达80%,相比于碳纤维复合材料其呈现出较好的断裂韧性,有利于减少复合材料气瓶在水压下的应力损伤.缠绕成型的聚酰亚胺纤维复合材料气瓶容器特征系数(PV/W)高达32.2 km,其在航空航天、医用、汽车、核工业等领域具有广阔的应用前景.     

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.     

基于声发射技术的大容积玻璃纤维缠绕气瓶冲击损伤评定

通过对大容积玻璃纤维缠绕气瓶分步升压爆破试验，采用声发射技术，监测分步升压爆破过程中缠绕层损伤演化以及不同升压阶段声发射信号响应特征，得到不同阶段声发射信号幅度、计数、累计计数以及能量等特征，试验压力由40 MPa升至50 MPa阶段，缠绕层发生损伤，声发射信号活性增加约90倍，且纤维断裂信号强度较高，达到1.0×10⁸ aJ。在此基础上，通过对带有不同程度冲击损伤气瓶升压爆破试验，对比分析0～30 MPa阶段不同损伤气瓶声发射响应区别。试验结果表明，缠绕层声发射信号随缠绕损伤程度增加，响应幅度增高，信号活性增强，强度增大，临界损伤气瓶缠绕层信号活性增强约20倍，信号强度可达到2.0×10⁶ aJ,增大约10倍。因此，可在水压试验过程中，通过冲击损伤区域声发射信号幅度、计数等特征和临界损伤缠绕层信号特征对比，对冲击损伤进行安全评定。     

T700碳纤维增强树脂复合材料气瓶封头非测地线缠绕强度

利用微分几何理论和四阶龙格库塔法求解气瓶封头上T700碳纤维增强树脂复合材料（CFRP）非测地线缠绕角微分方程,得到稳定的非测地线缠绕轨迹;利用有限元仿真软件建立T700 CFRP缠绕气瓶有限元模型,分析不同非测地线轨迹对工作压力（30 MPa）下T700 CFRP缠绕气瓶强度的影响,并采用渐进损伤模型分析爆破压力的变化规律。对于封头高h=50 mm的T700 CFRP缠绕气瓶,滑线系数为0.2时承载能力最强,比T700 CFRP测地线缠绕气瓶提高了7 MPa,约为6.4%;对于封头高h=160 mm的T700 CFRP气瓶,滑线系数为0.2时承载能力最强,比T700 CFRP测地线缠绕气瓶提高了6 MPa,约为11.5%。结果表明,优化设计得到的缠绕线型既能满足缠绕工艺的基本要求,又提高了T700 CFRP缠绕气瓶的结构力学性能,可为实际缠绕工艺提供参考。      

某复合材料气瓶的缠绕工艺

将连续的纤维经过浸胶后，按照一定的规律缠绕到芯模上，然后再加热或常温固化，制成一定形状制品的工艺方法叫纤维缠绕成型工艺。本文论述了湿法缠绕在环缠绕复合材料气瓶生产中的应用，通过对复合材料增强层、防护层的工艺设计和树脂体系的选择，生产复合材料气瓶23件，通过了各项鉴定试验，满足复合材料高压气瓶的设计要求。     

一种无焊缝连接金属内衬复合材料压力容器的制备工艺及其液压实验

纤维缠绕复合材料压力容器(COPV)由于其轻质高强及先漏后爆等特性在航空航天、路面交通和石油化工等领域得到广泛应用。基于纤维缠绕工艺的特点,提出了一种新型无焊缝连接金属内衬COPV结构及其制备工艺。并通过缠绕工艺及在封头直边设置密封槽,解决了内衬的封头与筒体之间的连续性和密封性问题。基于该结构的特点,一种辅助成型工装被发明,成功实现了这种新型内衬结构的缠绕成型问题。之后,通过液压试验验证了该结构的可行性,该新型容器能够承受110 MPa的爆破设计压力。进一步对容器剖面进行宏观分析,获得了该结构的三种损伤模式。最后,基于Chang-Chang失效准则及层间内聚力失效模型,通过编写用户子程序VUMAT建立了该新型结构的有限元计算模型,确定了分层损伤为该结构的主要损伤模式及位于封头与筒身过渡区的纤维拉伸断裂为该结构的主要失效模式。