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.     

复合材料气瓶的有限元建模与屈曲分析

复合材料气瓶在空间系统中逐渐取代全金属气瓶而得到越来越广泛的应用.利用ANSYS大型有限元程序建立复合材料气瓶及其内衬的有限元模型,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.建立了气瓶整体结构的特征值屈曲分析与非线性屈曲分析有限元方程,并分别进行了气瓶整体结构和内衬的外压失稳(屈曲)分析计算,得出了气瓶整体结构及内衬的屈曲模态形状和临界外压.     

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。     

玄武岩纤维全缠绕压力容器的研制与验证

选用玄武岩纤维为增强材料,制备了NOL环试样,进行了湿热处理和剪切试验验证。根据网格理论,针对2.4 L玄武岩纤维缠绕气瓶进行了复合层设计,确定了纤维缠绕厚度和缠绕角度,对所制样品进行了疲劳及爆破试验验证。结果表明:玄武岩纤维复合材料较玻璃纤维复合材料具有更优的界面粘结和湿热老化特性,所制备的气瓶经过0-21~(+0.2)-0 MPa压力循环的10 000次疲劳实验后未发生泄漏;爆破压力为77.1 MPa,验证了设计的合理性。     

大型碳纤维复合材料气瓶在压缩天然气储运领域中的研制与应用进展

利用纤维缠绕成型技术制造的大型天然气压缩(CNG)气瓶具有较大的优点,包括质地轻巧,强度较高,耐疲劳性好而且具有一定的抗腐蚀性。上述优点可以满足远洋天然气的开发以及长途陆路运输。本文通过介绍目前发达国家以及我国现阶段对于大型纤维复合材料气瓶的研究及实际应用情况,同时根据目前我国的实际生产需要提出了研制大型CNG复合材料气瓶关键性突破性的核心技术和成型装备。     

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.     

纤维缠绕复合材料环形容器设计优化(英文)

纤维缠绕环形容器可充分利用空间,节省结构质量和消除系统质心漂移,目前在很多工业领域中发挥着日益重要的作用。本文基于复合材料层合理论和测地线缠绕原理,提出了纤维缠绕环形压力容器的线型优化设计方法。应用微分几何,导出了圆环面上测地缠绕轨迹和纤维不架空判据。以初始缠绕角和缠绕层厚度为变量,对结构重量进行最小化设计,得到了对应于不同管径比的优化缠绕线型。对优化线型进行了计算机缠绕仿真,并给出了缠绕铺层的各向正轴应力分布。结果表明,优化设计的缠绕线型模式精确可靠,满足纤维缠绕的基本要求。纤维缠绕角度大小更趋于合理,从而能充分发挥缠绕结构的力学性能,减经系统重量,使优化得到的环形容器结构性能比传统测地线缠绕环形容器有很大提高。本文的设计计算方法可直接用于复合材料环形气瓶的初步设计。     

复合材料纤维张力缠绕预应力场动态特性

复合材料纤维张力缠绕技术通过提高纤维的张力水平可充分发挥纤维高强、高模优势,在成型过程中对结构进行预紧,成为解决高速转动部件径向变形大、界面强度低等问题新的有效途径。将每一层纤维的张力缠绕等效为一个含预应力复合材料薄环的叠加,基于正交各向异性复合材料缠绕层和各向同性金属芯模弹性变形理论,建立了纤维张力缠绕力学解析模型,得到芯模和缠绕层预应力场随缠绕层数及缠绕张力的变化规律,并通过复合材料纤维张力工艺试验验证了力学解析模型的正确性。研究发现了纤维张力缠绕中预应力“饱和”现象,并确定了影响张力缠绕预应力场的两个主要参数:缠绕层环径向刚度比E_θ/E_r和张力大小T（r）,为复合材料纤维张力缠绕成型工艺提供理论支撑。      

钛内衬复合材料环形气瓶结构设计与优化EI北大核心CSCD

根据微分几何,推导环形气瓶测地线缠绕轨迹以及缠绕角应满足的稳定缠绕条件,并针对不同切点数进行线型轨迹仿真。基于有限元分析,针对钛合金内衬环形气瓶的初始缠绕角及缠绕层数进行优化设计,并评估对比有、无环向补强层的环形气瓶承载能力。结果表明:本文设计的测地线轨迹精确可靠,很好地满足环形气瓶的缠绕工艺性。优化设计的缠绕参数既满足工艺可缠性,又能提高环形气瓶的结构性能。此外,有环向补强层的气瓶爆破强度提高了14%,钛合金内衬屈服强度提高了24.8%。因此,采用环向补强层有利于进一步提高环形气瓶的承载性能。水压实验结果表明本文设计方法预测的变形和爆破压力与实验值吻合良好。     

具有金属内衬复合材料纤维缠绕容器固化过程的数值模拟

基于固化反应动力学、热传导和复合材料层合理论, 采用了有限元分析方法, 对具有金属内衬的复合材料纤维缠绕压力容器在固化工艺过程中的温度和热应力分布及其变化规律进行了数值模拟。通过一典型容器数值分析, 表明在固化工艺过程中, 中容器内部的所有应力分量具有同时达到峰值的特征, 其中应力分量的峰值出现在固化降温阶段的初期。提出了数值模拟的方法和分析结论对复合材料结构设计师和工艺师合理制订金属内衬复合材料纤维缠绕容器的工艺标准具有一定的参考价值。      

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.     

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。     

复合材料缠绕压力容器缠绕过程模拟

为了提高复合材料缠绕压力容器缠绕工艺效率及优化缠绕过程,研究并设计了复合材料缠绕压力容器缠绕过程的模拟软件.模拟软件主要包括两个模块:缠绕设计模块和模拟模块.模拟模块中,通过在几何空间和色彩空间,描述纤维缠绕压力容器成型工艺的芯模、落纱点、悬纱、丝头的运动规律和运动轨迹,形成动态画面,直观地反映出缠绕过程中落纱、纱线排布、悬纱、芯模和丝头运动以及线形变化,显示出纤维缠绕成型的全部过程.该模拟软件的建立,有利于加深对复合材料缠绕压力容器缠绕工艺过程的理解.     

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。     

沈阳斯林达安科新技术有限公司

正沈阳斯林达安科新技术有限公司各种产品通过国家质量监督检验检疫总局指定的气瓶型式试验机构的检测,具有(B1、B3)气瓶设计、制造资格。主要产品:1、铝合金内胆纤维全缠绕气瓶2、铝合金无缝气瓶3、车用压缩天然气钢质内胆环向缠绕气瓶4、车用压缩天然气钢瓶5、供氧器6、钢质无缝气瓶7、消防气瓶8、收口机的设计与制造9、缠绕机的设计与制造     

复合材料干纤维增强回转体结构缠绕线型设计

复合材料干纤维缠绕增强结构可解决纤维缠绕树脂基复合材料结构耐冲击性差、低温环境树脂易失效等问题。干纤维增强结构缠绕过程中,纤维束重叠、压缩导致干纤维缠绕增强层各处厚度不一,会对缠绕线型稳定性产生影响。为满足缠绕线型稳定,研究了测地线干纤维缠绕增强层厚度变化及分布规律,分析了纱带宽度、极孔尺寸及芯模结构等参数对增强层厚度的影响,考虑芯模厚度的变化,逐层更新干纤维缠绕增强结构数学模型,进行了缠绕轨迹计算,获得测地线缠绕线型。缠绕实验表明：理论仿真获得的复合材料干纤维缠绕增强容器增强层厚度准确,缠绕线型稳定,无滑纱现象,验证了纤维厚度与缠绕轨迹计算方法的可行性和干纤维增强层厚度仿真的正确性。     

纤维缠绕复合材料壳体刚度衰减模型数值模拟

应用微分几何理论,推导出纤维缠绕复合材料壳体的非测地线缠绕轨迹、包角方程及绕丝头运动方程,得到缠绕过程的动态仿真模拟数据。将封头处变化的缠绕角、厚度等实际工艺参数直接用于壳体结构的理论分析。采用叠层的增量本构关系,模拟层合板壳结构的损伤过程,建立了损伤后刚度衰减模型及刚度退化准则,并通过实验确定了刚度衰减系数。应用此模型对纤维缠绕复合材料压力容器进行了数值分析。结果表明:纤维缠绕复合材料压力容器封头处损伤会导致其弯曲刚度降低,这是影响轴向变形的重要因素。      

厚壁复合材料管纤维缠绕张力的神经网络设计方法

提出了一种纤维缠绕厚壁复合材料管的张力优化设计方法。介绍了纤维缠绕控制系统的工作原理, 并讨论了缠绕厚壁复合材料管成型质量的影响因素。针对厚壁复合材料管纤维缠绕过程, 利用弹性叠加原理建立了计算缠绕张力导致复合材料管残余内应力变化的模型和方法。分别比较了利用现有恒张力、 恒力矩和锥度张力三种常规模式缠绕厚壁复合材料管的内应力分布特性。设计了一种独特的神经网络结构, 并通过误差反向传播实现了对纤维缠绕张力的优化设计。以实验验证说明神经网络收敛优化过程的主要机制, 结果表明, 通过该神经网络优化的纤维缠绕张力能满足特殊内应力(如等应力)分布设计的需要。     

沈阳斯林达安科新技术有限公司

沈阳斯林达安科新技术有限公司各种产品通过国家质量监督检验检疫总局指定的气瓶型式试验机构的检测,具有(B1、B3)气瓶设计、制造资格。主要产品:1、铝合金内胆纤维全缠绕气瓶2、铝合金无缝气瓶3、车用压缩天然气钢质内胆环向缠绕气瓶4、车用压缩天然气钢瓶5、供氧器     

缠绕图型对纤维缠绕复合材料力学性能影响的有限元模拟

针对纤维缠绕复合材料结构中存在纤维束交叉起伏和铺层走向交替的特点,建立了一种分析缠绕图型对缠绕复合材料结构力学性能影响的有限元方法。采用ABAQUS有限元软件,分析了考虑纤维束交叉起伏和铺层走向交替后缠绕复合材料圆柱壳的应力、应变分布规律,并且研究了缠绕图型对缠绕圆柱壳屈曲临界载荷的影响。结果表明:采用层合板模型计算得到的圆柱壳的应力分布比较均匀;考虑纤维束交叉起伏和铺层走向交替后,缠绕复合材料圆柱壳的应力不再均匀分布,应力云图出现规则分布的菱形图案,在菱形区域中纤维交叉起伏和铺层走向交替处的应力有明显的波动。本实验有限元模型中的菱形特征单元可以反映缠绕复合材料纤维交叉起伏和铺层走向交替的实际情况。