王海芳，楊永生，劉森川

(哈爾濱玻璃鋼研究院，哈爾濱 150036)

4L復(fù)合材料高壓氣瓶的研制與驗(yàn)證

王海芳，楊永生，劉森川

(哈爾濱玻璃鋼研究院，哈爾濱 150036)

本文研究的4L復(fù)合材料高壓氣瓶具有大長(zhǎng)徑比(5.68)，需進(jìn)行10 000次壓力循環(huán)的疲勞試驗(yàn)，疲勞試驗(yàn)之后不得有肉眼可見的損傷、變形和滲漏的缺陷。依據(jù)氣瓶的性能要求設(shè)計(jì)鋁合金內(nèi)襯和復(fù)合材料鋪層，確定內(nèi)襯的結(jié)構(gòu)尺寸和纏繞工裝形式，選擇合理的復(fù)合材料鋪層，通過爆破試驗(yàn)和疲勞爆破試驗(yàn)對(duì)設(shè)計(jì)的方案進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明：方案科學(xué)合理。

高壓氣瓶；長(zhǎng)徑比；疲勞試驗(yàn)；爆破試驗(yàn)

1 引 言

壓力容器廣泛應(yīng)用于化工、輕工、能源、冶金、航天等領(lǐng)域。復(fù)合材料壓力容器分內(nèi)壓容器(如氧氣瓶等各種氣瓶)和外壓容器(深潛器等)兩種。目前，復(fù)合材料壓力容器正以獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)(質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)效率高、失效形式安全、耐腐蝕性好)在飛機(jī)、潛艇、火箭等運(yùn)載工具及醫(yī)療方面廣泛應(yīng)用。

復(fù)合材料壓力容器主要由兩部分組成：內(nèi)襯層、樹脂基復(fù)材層。纖維纏繞復(fù)合材料壓力容器基體多采用熱固性樹脂，隨著航天工業(yè)的不斷發(fā)展，國(guó)外從20世紀(jì)80年代起復(fù)合材料的研究重點(diǎn)已從熱固性基體轉(zhuǎn)向熱塑性基體。纏繞使用的纖維高模高強(qiáng)纖維得到了更加廣泛和深入的應(yīng)用。復(fù)合材料壓力容器內(nèi)襯一般采用金屬和非金屬材料。

本文重點(diǎn)研究4L鋁合金內(nèi)襯碳纖維纏繞復(fù)合材料高壓氣瓶。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 4L復(fù)合材料高壓氣瓶性能要求

本文研究的4L復(fù)合材料高壓氣瓶長(zhǎng)徑比為5.68，爆破壓力不小于72.1 MPa，0 MPa—21 MPa往復(fù)循環(huán)10 000次，疲勞試驗(yàn)之后不得有肉眼可見的損傷、變形和滲漏的缺陷，疲勞試驗(yàn)之后進(jìn)行水壓爆破試驗(yàn)。

2.2 鋁合金內(nèi)襯的設(shè)計(jì)

高壓氣瓶的內(nèi)襯需要滿足：(1)保證良好的氣密性；(2)有一定剛度，能兼作纖維纏繞時(shí)的模具；(3)有一定的抗沖擊韌性[1]。本文研究的4L氣瓶要求有很高的循環(huán)疲勞壽命。內(nèi)襯厚度主要取決于循環(huán)壽命要求，內(nèi)襯的循環(huán)疲勞壽命依賴于內(nèi)襯厚度、內(nèi)襯應(yīng)變范圍、復(fù)合材料與內(nèi)襯間的粘接、內(nèi)襯厚度變化率、內(nèi)襯中的裂紋等[2]。根據(jù)4L復(fù)合材料高壓氣瓶的長(zhǎng)度、直徑、工藝接口等要求確定內(nèi)襯的封頭形式、尺寸和前后封頭的變厚區(qū)的尺寸；根據(jù)具體的壓力、容積要求、循環(huán)壽命要求確定內(nèi)襯層筒身段的長(zhǎng)度和變厚區(qū)的長(zhǎng)度。

內(nèi)襯分為無縫鋁合金內(nèi)襯和有焊縫的內(nèi)襯，選用旋壓一體成型的鋁合金內(nèi)襯可以保證內(nèi)襯有良好的氣密性。

鋁合金內(nèi)襯在纏繞成型前需要對(duì)外表面進(jìn)行處理，參照美國(guó)DOT-CFFC標(biāo)準(zhǔn)，在鋁合金內(nèi)襯的外表面制作玻璃纖維層和環(huán)氧層作為防電化學(xué)腐蝕層。

2.3 復(fù)合材料層的設(shè)計(jì)

本文研究的復(fù)合材料高壓氣瓶是長(zhǎng)徑比較大的薄壁壓力容器，筒身段處于薄膜應(yīng)力狀態(tài)，而筒身段的薄膜內(nèi)力由增強(qiáng)纖維承擔(dān)，即要求纖維的抗力大于或等于薄膜內(nèi)力時(shí)，容器才是安全的。根據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，纖維的方向?yàn)橹鲬?yīng)力方向可充分發(fā)揮纖維的高強(qiáng)特性，在筒身段采用螺旋纏繞和環(huán)向纏繞相結(jié)合的工藝成型方法。通過極孔半徑和筒身半徑之比可以確定螺旋纏繞的纏繞角，根據(jù)氣瓶的內(nèi)壓和纖維的強(qiáng)度，計(jì)算出內(nèi)力比，再根據(jù)內(nèi)力比計(jì)算出鋪層厚度。計(jì)算得出的纏繞角鋪層厚度見表1，纖維性能見表2。

表1 纏繞工藝參數(shù)

表2 T700SC-12 K纖維基本性能

3 樹脂體系

樹脂體系的選擇影響到復(fù)合材料層與鋁合金內(nèi)襯層的粘接強(qiáng)度進(jìn)而影響氣瓶的循環(huán)壽命。按復(fù)合材料強(qiáng)度、韌性、耐高低溫及浸漬工藝性能，最終選出一組綜合性能較好的酸酐為固化劑的環(huán)氧樹脂配方，即環(huán)氧樹脂∶固化劑∶促進(jìn)劑=100∶80∶1.5。樹脂配方固化制度為：80℃/1 h+120℃/3 h+150℃/3 h。樹脂澆鑄體性能見表3。

表3 樹脂澆鑄體性能

4 纏繞工裝設(shè)計(jì)

纏繞接軸的設(shè)計(jì)：4L復(fù)合材料高壓氣瓶的結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定了氣瓶纏繞成型只能選擇不等極孔的旋臂纏繞工藝。旋臂纏繞需要根據(jù)產(chǎn)品的長(zhǎng)度和直徑確定纏繞的超越長(zhǎng)度進(jìn)而確定纏繞接軸的總長(zhǎng)度。

工藝接嘴的設(shè)計(jì)：為了實(shí)現(xiàn)螺旋纏繞在后封頭設(shè)計(jì)一個(gè)工藝接嘴。根據(jù)產(chǎn)品的爆破壓力要求、纏繞角度確定工藝接嘴的直徑和長(zhǎng)度，為了保證工藝接嘴在使用過程中與封頭不脫粘，選擇合理的錐角。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

5.1 試驗(yàn)結(jié)果

抽取1只編號(hào)為1#進(jìn)行水壓爆破試驗(yàn)，編號(hào)為2#的氣瓶先進(jìn)行疲勞試驗(yàn)再進(jìn)行水壓爆破試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 試驗(yàn)結(jié)果

5.2 結(jié)果分析

依據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)性能要求等技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行復(fù)合材料氣瓶的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。通過爆破試驗(yàn)和疲勞爆破試驗(yàn)驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)合理，鋪層方案合理。

[1] 房景臣，付求舟，蔣元興，等. HDPE內(nèi)襯全復(fù)合材料壓縮天然氣氣瓶研制[C]//復(fù)合材料：生命、環(huán)境與高技術(shù)——第十二屆全國(guó)復(fù)合材料學(xué)術(shù)會(huì)議論文集. 2002:640-643.

[2] 張?zhí)炱剑臻g應(yīng)用復(fù)合材料壓力容器研制技術(shù)[J]. 上海航天，2002(1)：54-58.

工藝研究

The Development and Validation of 4L Composite High-pressure Cylinder

WANG Haifang, YANG Yongsheng, LIU Senchuan

(Harbin FRP Institute, Harbin 150036)

4L Composite high-pressure cylinder studied in this paper has a large aspect ratio, and has no visual fracture, deformation and leakage, etc. afer fatigue testing under 10 000 pressure cycles. According to the cylinder performance requirement, alluminium alloy liners and composite layup were designed, and liner structure dimension and winding tooling were determined, and the proper composite lamiminations were chosen. Finally, the design alternatives were validated by bursting test and fatigue bursting.

high pressure vessel；aspect ratio；fatigue test；explosion bulge test

2014-12-19)

王海芳(1978-)，女，河北人，碩士，工程師。研究方向：復(fù)合材料高壓氣瓶成型工藝。 E-mail：freehfwang@126.com.