沈書(shū)乾 覃榮江 段志宏 李程 齊洪洋

摘要：本文重點(diǎn)介紹纖維纏繞復(fù)合材料氣瓶的發(fā)展過(guò)程，并在此基礎(chǔ)上簡(jiǎn)單介紹聲發(fā)射用于其損傷檢驗(yàn)的先進(jìn)性。

關(guān)鍵詞：纖維；纏繞；復(fù)合材料；氣瓶；聲發(fā)射；損傷

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ050.4；TQ053.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：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

隨著纖維纏繞復(fù)合材料殼體結(jié)構(gòu)使用需求的增大，纖維纏繞工藝也在快速發(fā)展，纖維纏繞殼體以其比強(qiáng)度比模量高、抗疲勞性好和低熱膨脹系數(shù)等優(yōu)點(diǎn)而備受推崇。早期的復(fù)合材料殼體研究主要集中在經(jīng)典力學(xué)分析方法上，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，采用以有限元法為代表的數(shù)值模擬方法對(duì)復(fù)合材料纏繞結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)性能研究已經(jīng)成為發(fā)展趨勢(shì)。

由于目前存在全球性的能源危機(jī)、環(huán)境污染和溫室效應(yīng)等問(wèn)題，氫能以其廣泛的優(yōu)點(diǎn)而被認(rèn)為是最有前景的下一代無(wú)污染能源，然而目前氫能的儲(chǔ)存問(wèn)題是氫能源能否被廣泛應(yīng)用的瓶頸之一，集中體現(xiàn)在了下述三方面：低溫儲(chǔ)氫技術(shù)、儲(chǔ)氫設(shè)備材料和氣體壓縮。當(dāng)前面臨著氫能源存儲(chǔ)應(yīng)用上的困難和制造成本過(guò)高等問(wèn)題，因此氫能源仍然未能在民用領(lǐng)域發(fā)揮其巨大的潛在價(jià)值。最早的用于纖維纏繞復(fù)合材料殼體結(jié)構(gòu)分析方法是網(wǎng)格理論分析方法。由于該方法忽略了復(fù)合材料中基體作用而將纖維增強(qiáng)體作為主承力部分，進(jìn)而成為工程領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛的簡(jiǎn)便方法。Leknitskii S G奠定了各向異性材料的力學(xué)研究基礎(chǔ)，針對(duì)基體作用對(duì)纖維纏繞復(fù)合材料纏繞殼體性能的影響不能被完全忽略，許多學(xué)者通過(guò)解析方法對(duì)不同載荷狀態(tài)下復(fù)合材料殼體建立了應(yīng)力分析模型，然而這期間大多數(shù)研究都有局限性，直到后來(lái)建立了取代應(yīng)力分析模型的基于控制方程的通用模型。盡管網(wǎng)格理論分析方法在爆破壓力預(yù)測(cè)等方面表現(xiàn)出良好的預(yù)測(cè)能力，但是由該方法所能獲得的參數(shù)十分有限并且因忽略基體作用而造成不可避免的誤差，因此亟需一種求解能力更強(qiáng)并且考慮基體作用的復(fù)合材料纏繞結(jié)構(gòu)的分析方法。

20世紀(jì)50年代發(fā)展起來(lái)的有限單元法已經(jīng)成為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)分析中強(qiáng)有力的工具，在解決各向異性材料的材料非線性、幾何非線性和邊界條件非線性方面表現(xiàn)出出色的求解能力。Hoa S V 等提出的三維有限單元模型在解決纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的應(yīng)變不連續(xù)問(wèn)題中起到了非常重要的作用，因此目前國(guó)際上有大量的基于有限元法的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)分析方面的研究。纖維纏繞復(fù)合材料氣瓶在生產(chǎn)加工、運(yùn)輸和使用過(guò)程中不可避免的會(huì)受到?jīng)_擊作用，沖擊作用造成的損傷是復(fù)合材料性能退化重要的原因之一。因而從設(shè)備防護(hù)和使用安全性角度考量，研究不同能量的沖擊作用、不同接觸面積的沖擊作用以及不同角度的沖擊作用等因素對(duì)纖維纏繞復(fù)合材料氣瓶造成的損傷，以及對(duì)存在這種沖擊損傷的復(fù)合材料氣瓶的剩余強(qiáng)度展開(kāi)研究是非常必要的。

聲發(fā)射（Acoustic Emission，簡(jiǎn)稱(chēng)AE）是指物體在受到形變或外界作用時(shí)，因迅速釋放彈性能量而產(chǎn)生瞬態(tài)應(yīng)力波的物理現(xiàn)象。隨著聲發(fā)射研究領(lǐng)域的擴(kuò)大，聲發(fā)射的含義也已廣義化，如泄漏、軸承的滑動(dòng)、鉆井過(guò)程和木材干燥時(shí)發(fā)出的聲音等也被稱(chēng)為AE[1]。

2 纖維纏繞氣瓶的發(fā)展

2.1 內(nèi)膽

內(nèi)膽不主要承載壓力，但卻是儲(chǔ)存液體，防止液體泄露，同時(shí)還是提供對(duì)外接口的載體，因內(nèi)膽此必須滿足高比屈服強(qiáng)度、質(zhì)量較輕、雙軸延展性、易加工成型、抗裂紋增長(zhǎng)性能和抗腐蝕性能高等要求[2]。

2.2 纖維

我們用的纖維主要是碳纖維，玻璃纖維和芳綸纖維。纖維纏繞層是承載壓力的主要纏繞層，一般的纏繞層可能承擔(dān)75%～95%的載荷。因此，纖維增強(qiáng)材料應(yīng)滿足高強(qiáng)度、高模量、低密度、樹(shù)脂浸潤(rùn)性好、熱穩(wěn)定性好、具有良好的纏繞工藝和纖維與基體的熱膨脹系數(shù)比較接近或一致等要求[3]。

2.3 基體材料

基體材料主要是起粘接纖維，保護(hù)纖維免受外界環(huán)境的損傷的作用，因此基體材料應(yīng)滿足濕熱性能好、良好的工藝性和一定的塑性和韌性等要求[4]。

根據(jù)纏繞氣瓶所用的原材料和工藝方法，復(fù)合材料的纏繞氣瓶可分為以下幾種類(lèi)型：（1）金屬內(nèi)襯環(huán)向纏繞復(fù)合材料氣瓶：在內(nèi)壓作用下，圓筒形纏繞氣瓶的筒體段的環(huán)向應(yīng)力為軸向應(yīng)力的2倍。金屬氣瓶的薄厚只能按環(huán)向應(yīng)力計(jì)算。因此，我們需要提高復(fù)合材料纏繞氣瓶的環(huán)向承載能力。（2）金屬內(nèi)襯全纏繞復(fù)合材料氣瓶：對(duì)于金屬內(nèi)膽全纏繞復(fù)合氣瓶，復(fù)合材料承擔(dān)了大部分的內(nèi)壓載荷。其中金屬內(nèi)襯的厚度設(shè)計(jì)也分為承載和不承載兩種情況。即使內(nèi)膽承載一部分壓力，但是與復(fù)合材料相比也很小的部分。（3）塑料內(nèi)襯全纏繞復(fù)合材料氣瓶塑料內(nèi)襯是一類(lèi)非承載內(nèi)襯，只起密封作用和作為纏繞的芯模。這類(lèi)復(fù)合材料氣瓶與其它結(jié)構(gòu)的氣瓶相比重量最輕，制造成本低，投資少，容易滿足大容量要求，因此具有一定的市場(chǎng)潛力。但是這類(lèi)氣密性和耐溫性能欠佳[5]。

3 國(guó)內(nèi)復(fù)合材料氣瓶的發(fā)展概況

纖維纏繞氣瓶目前在呼吸器纏繞氣瓶和車(chē)用壓縮天然氣纏繞氣瓶這兩個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。在20世紀(jì)50年代，纖維纏繞氣瓶是在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)合材料機(jī)殼技術(shù)中應(yīng)用。最早的時(shí)期，在橡膠內(nèi)膽上用玻纖浸漬環(huán)氧樹(shù)脂纏繞形成纏繞氣瓶，載重量方面，雖然橡膠內(nèi)膽比鋼質(zhì)內(nèi)膽較輕，但纏繞層的玻纖的抗應(yīng)力能力較低、靜態(tài)疲勞能力和氣體滲透率較大，所以早期的纏繞氣瓶需要的安全系數(shù)較高。之后到20世紀(jì)60年代開(kāi)始使用金屬內(nèi)膽，對(duì)于一部分內(nèi)膽足夠厚的氣瓶，便可以采用纖維全纏繞或環(huán)纏繞的形式。纖維纏繞氣瓶的金屬內(nèi)膽滲透率比橡膠內(nèi)膽的低，但金屬內(nèi)膽的壽命卻受到限制。一般金屬內(nèi)膽在100～1000次的循環(huán)后可能產(chǎn)生開(kāi)裂甚至到泄漏，而在10000～30000次的循環(huán)后厚壁內(nèi)膽可產(chǎn)生泄漏。在20世紀(jì)70年代，在鋁內(nèi)膽或鋼內(nèi)膽上纏繞玻璃纖維和芳綸纖維的纖維纏繞氣瓶在商用方面的應(yīng)用開(kāi)始有所增加，一般用于消防呼吸器、民用飛機(jī)滑梯充氣以及海軍救生筏充氣。在20世紀(jì)80年代，壓縮天然氣車(chē)用瓶成為纖維纏繞氣瓶的主要市場(chǎng)之一。在20世紀(jì)90年代，纖維纏繞氣瓶開(kāi)始使用新材料碳纖維，這是一個(gè)重大的發(fā)展。北京玻璃鋼研究設(shè)計(jì)院針對(duì)無(wú)焊縫鋁合金內(nèi)膽纖維纏繞氣瓶開(kāi)展了研究工作，在鋁合金內(nèi)膽的選材、成型方法和復(fù)合材料的選材及成型工藝方面取得了初步的研究成果。中國(guó)汽車(chē)工業(yè)總公司重慶汽車(chē)研究所對(duì)CNGV內(nèi)膽中可能影響鋼質(zhì)氣瓶的因素進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，在熱處理工藝、斷裂韌性、內(nèi)外表面的強(qiáng)化方法及力學(xué)性能各因素的研究取得了一定的研究成果；目前鋼制內(nèi)膽和纖維纏繞層的模量在疲勞試驗(yàn)中進(jìn)行的匹配問(wèn)題進(jìn)行了深入的研究，考慮表面殘余應(yīng)力，疲勞應(yīng)變和變形匹配及其疲勞模量，提出了提高纖維纏繞層的張力纏繞工藝。王榮國(guó)等提出了一種預(yù)測(cè)封頭部位纖維鋪層厚度分布的方法，以真實(shí)反映并建立壓力容器的有限元模型。王愛(ài)軍等運(yùn)用有限元的計(jì)算分析方法研究了復(fù)合材料圓管的能量吸收問(wèn)題，并與實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果較為吻合。楊樂(lè)等通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算和分析了在內(nèi)壓作用下的復(fù)合材料殼體封頭的變形，其結(jié)果與水壓試驗(yàn)大體符合。國(guó)外學(xué)者對(duì)復(fù)合材料氣瓶的研究較為深入，較多地研究分析了復(fù)合材料的性能或整個(gè)容器的各類(lèi)極限問(wèn)題。李天明等計(jì)算了復(fù)合材料高壓氣瓶的封頭纖維應(yīng)力，從適用于短粗型復(fù)合材料壓力容器封頭設(shè)計(jì)計(jì)算的型面方程推導(dǎo)，提出了適合工程應(yīng)用的數(shù)值方法。陳汝訓(xùn)等把復(fù)合材料氣瓶的內(nèi)襯看成理想彈塑性材料，推導(dǎo)了復(fù)合材料氣瓶相關(guān)的計(jì)算公式，同時(shí)也提出了關(guān)于提高封頭疲勞工況下的強(qiáng)度的設(shè)計(jì)方法，證實(shí)了通過(guò)纏繞張力來(lái)提高復(fù)合材料強(qiáng)度的可行性。張國(guó)通過(guò)ANSYS對(duì)纖維纏繞復(fù)合材料氣瓶參數(shù)化建模，分析了復(fù)合容器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。婁小杰對(duì)具有球型封頭的復(fù)合材料壓力容器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了詳盡闡述，并對(duì)成型工藝等問(wèn)題做了探討。雷閩等為了確定復(fù)合材料氣瓶?jī)?nèi)膽出現(xiàn)鼓包、裂紋缺陷產(chǎn)生的原因，對(duì)復(fù)合氣瓶?jī)?nèi)膽材質(zhì)進(jìn)行力學(xué)性能、微觀分析、纏繞層和內(nèi)膽材料線膨脹系數(shù)測(cè)試。

4 國(guó)外復(fù)合材料聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)研究進(jìn)展

纖維纏繞氣瓶的國(guó)外發(fā)展概況如下：在20世紀(jì)60年代，纖維纏繞氣瓶在衛(wèi)星及航天應(yīng)用廣泛；在20世紀(jì)70年代，美國(guó)運(yùn)輸部批準(zhǔn)的玻纖和可夫拉（Keular）纖維的環(huán)纏繞氣瓶應(yīng)用于開(kāi)始投入民用市場(chǎng)。之后在民用商業(yè)市場(chǎng)開(kāi)始使用纖維纏繞氣瓶并且應(yīng)用比較廣泛[23]。在20世紀(jì)80年代開(kāi)始，大多數(shù)國(guó)家開(kāi)始陸續(xù)將復(fù)合材料纏繞氣瓶應(yīng)用于商業(yè)市場(chǎng)，其中呼吸器纏繞氣瓶成為復(fù)合材料氣瓶的最大市場(chǎng)。在20世紀(jì)90年代，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）和歐洲標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)（CEN）以及天然氣汽車(chē)聯(lián)盟聯(lián)合起草批準(zhǔn)了纖維纏繞氣瓶的標(biāo)準(zhǔn)，批準(zhǔn)塑料內(nèi)膽復(fù)合纖維纏繞氣瓶即四型瓶即將成為纏繞氣瓶的主要市場(chǎng)之一。目前，對(duì)復(fù)合材料CNG氣瓶的研究與開(kāi)發(fā)，美國(guó)科技公司、林肯公司和hdyorpsni公司走在世界的前列，他們已開(kāi)發(fā)出超過(guò)十余種不同規(guī)格的復(fù)合材料氣瓶。

Murray等運(yùn)用有限元軟件計(jì)算了多種不同尺寸的復(fù)合材料管的軸向失穩(wěn)載荷，并且闡述分析了有限元法計(jì)算的難點(diǎn)和計(jì)算時(shí)應(yīng)該注意的一些問(wèn)題。Kabir假設(shè)復(fù)合材料氣瓶的內(nèi)襯和復(fù)合材料層分別是理想彈塑性材料和彈性材料的情況下，考慮了復(fù)合材料層與內(nèi)襯邊界處的接觸應(yīng)力分布情形，并進(jìn)行接觸分析，計(jì)算了其封頭在等應(yīng)力條件下的強(qiáng)度。Chamis等分析了復(fù)合材料內(nèi)壓管件破壞失效的全過(guò)程，還研究了它的損傷容限問(wèn)題。

5 復(fù)合材料氣瓶的研究意義

國(guó)內(nèi)外有很多企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)從事復(fù)合材料氣瓶的研發(fā)與生產(chǎn)，國(guó)外的單位有美國(guó)SCI公司、俄羅斯依熱夫斯基鋼瓶有限公司、法國(guó)HM公司和美國(guó)John Hopkins大學(xué)等，國(guó)內(nèi)的單位有北京天海工業(yè)有限公司、蘇州中材科技有限公司、重慶益峰高壓容器有限責(zé)任公司和北京化工大學(xué)等。

復(fù)合材料容器應(yīng)用廣泛，但是，復(fù)合材料容易老化，耐沖擊性能差，使用中經(jīng)常出現(xiàn)裂紋、分層損傷，致使復(fù)合材料結(jié)構(gòu)性能下降，嚴(yán)重時(shí)造成重大經(jīng)濟(jì)損失，因此，在使用前和使用過(guò)程中的安全檢驗(yàn)和強(qiáng)度預(yù)報(bào)就顯得尤為重要。復(fù)合材料每種損傷形式對(duì)復(fù)合材料的整體性能都有不同程度的影響，所以復(fù)合材料特性的研究離不開(kāi)對(duì)這些損傷形式的研究，而每一種損傷在其發(fā)生、發(fā)展中都有明顯的聲發(fā)射特征。

6 結(jié)束語(yǔ)：

聲發(fā)射方法對(duì)于這些損傷過(guò)程的分析都非常及時(shí)、有效，恰當(dāng)?shù)氖褂寐暟l(fā)射技術(shù)，不但可以大大減少維修費(fèi)用，更可以用工廠設(shè)備的完善使用提供有力依據(jù)。所以聲發(fā)射技術(shù)是研究復(fù)合材料損傷、破壞機(jī)理及強(qiáng)度性能的最有效的方法之一。通過(guò)復(fù)合材料氣瓶研究，可以在碳纖維復(fù)合材料容器損傷過(guò)程中聲源發(fā)射機(jī)理、聲源特性以及聲波的傳播過(guò)程的研究，碳纖維復(fù)合材料容器損傷聲發(fā)射信號(hào)的處理技術(shù)研究等方面取得進(jìn)一步的發(fā)展，為碳纖維復(fù)合材料容器結(jié)構(gòu)完整性評(píng)價(jià)提供科學(xué)的理論依據(jù)。目前，中國(guó)石油吉林石化股份有限公司有意致力于國(guó)產(chǎn)碳纖維大型復(fù)合材料CNG氣瓶的研發(fā)與應(yīng)用，正在準(zhǔn)備開(kāi)展這方面的研究工作。實(shí)驗(yàn)表明外層纖維作為主要的承載體，承載著絕大部分的壓力載荷（75%～95%），通常釆用玻璃纖維環(huán)氧樹(shù)脂或碳纖維環(huán)氧樹(shù)脂高性能復(fù)合材料。

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