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缠绕张力对薄壁金属内衬复合材料气瓶性能影响 2015年10月 缠绕张力对薄壁金属内衬复合材料气瓶性能影响 林松,王俊锋,穆晗,刘胜利 (航天材料及工艺研究所,北京100076) 摘要:通过薄壁金属内衬的外压强度试验、不同缠绕张力NOL环以及复合材料气瓶的力学性能试验,采用声发射的检测 方法研究缠绕张力对薄壁金属内衬复合材料气瓶的疲劳以及爆破性能的影响。结果表明,薄壁金属内衬的外压强度较小,缠 绕张力对复合气瓶的疲劳以及爆破性能影响较大,采用声发射信号以及气瓶的性能试验研究可以指导制定最优化的缠绕张力 制度。 关键词t缠绕张力;复合材料气瓶;声发射;金属内衬 ——— 中图分类号:TB332文献标识码:A文章编号:10030999《2015)10002605 纤维复合材料气瓶采用缠绕成型,在成型过程 中需要对纤维施加一定的缠绕张力,会对复合材料 气瓶的疲劳以及爆破性能产生较大的影响。缠绕张 力一方面会增加复合材料的密实度,提高纤维的发 挥强度¨ J,另一方面也会对金属内衬施加一个预 应力,使其在受压过程中需要先克服预应力,从而提 高金属内衬的疲劳性能。对于复合材料气瓶, 金属内衬主要起密封作用,载荷主要由外层复合材 料层来承担,所以金属内衬越轻、越薄,越有利于提 高复合材料气瓶的容器特征系数 。随着航天技 术的发展,人们对金属内衬的厚度要求越来越苛刻, 内衬厚度的急剧降低对复合材料气瓶的缠绕成型工 艺特别是缠绕张力制度的制定提出了更高的要求, 如何在缠绕过程中选取合适的张力制度,使得复合 材料的纤维发挥强度较高以及内衬在承受纤维缠绕 张力过程中不产生失稳是研究的难点。本文主要针 对薄壁金属内衬的缠绕张力制度的制定开展研究, 采用内衬外压失稳试验、不同缠绕张力复合材料 NOL环以及气瓶的疲劳与爆破试验,采用声发射检 测方法开展研究工作,总结规律以便进一步提高薄 壁金属内衬复合材料气瓶的性能。 1实验 1.1实验材料和设备 实验材料:缠绕C601树脂体系,自制;T700碳 — 纤维,12K,日本东丽公司;金属内衬,采用T66061 铝合金,容积为56L,筒身段壁厚为1.4mm,筒身段 长度为270,总长为668,自制。 设备:外压试验工装(自制);水压试验工装(自 制);缠绕设备:4轴联动缠绕机(江南机器厂);万能 材料实验机Instron1121(美国Instron);声发射装置 (美国PAC公司);医用CTSOMATOMSpirit(西门 子)。 1-2试样制备 1.2.1不同缠绕张力NOL的制备 — 按照GB/T25781989的方法分别制备缠绕张 力为20N、30N、40N、50N、60N、70N、80N与90N的8 种复合材料NOL环拉伸及层间剪切试样。 1.2.2不同缠绕张力复合材料气瓶制备 T700碳纤维在一定缠绕张力作用下浸渍树脂, 采用数控缠绕机在金属内衬表面缠绕成型复合材料 气瓶。缠绕完成后,筒身段复合材料层的厚度为10 mm,采用螺旋向与环向交替缠绕成型,最后采用烘 箱旋转固化。分别采用如表1所示的6种缠绕张力 制度,缠绕成型6件复合材料气瓶。 袁1复合气瓶的缠绕张力制度 Table1Settingvaluesofthewindingtensionofvessels NO. Windingtension Startat50Nanddecreasebylayers Startat60Nanddecreasebylayers Startat65Nanddecreasebylayers Startat70Nanddecreasebylayers Startat80Nanddecreasebylayers Startat90Nanddecreasebylayers —— 收稿Et期:20150228 本文作者还有刘哲军和陈亮。 作者简介:林松(1983一),男,博士,主要从事结构复合材料成型工艺研究。 嘲 蛾 2015年第10期 玻璃钢/复合材料 27 1.3实验方法 1.3.1不同缠绕张力NOL环性能测试 — 按照GB/T14582005的方法采用万能材料试 验机测试NOL环的拉伸强度。 — 按照GB/T14612005的方法采用万能材料试 验机测试NOL环的层间剪切强度。 1.3.2薄壁金属内衬的外压失稳实验 如图1所示,将56L金属内衬放置于密闭的外 压实验工装内,金属内衬一端用堵塞密封,另一端由 软管引出使得金属内衬与大气相通,通过增压气泵 对密闭的工装进行增压,增压速率为0.02MPa/min, 直至金属内衬呈现外压失稳破坏,记录失稳压强。 图1金属内衬外压失稳试验装置示意图 Fig.1Diagrammaticsketchoftheextemalpressureexper imentofthemetalinternalliner 1.3.3不同缠绕张力复合材料气瓶水压自紧、疲劳 及爆破试验 对1~6#复合材料进行49MPa的水压自紧试 验,升压速率为7MPa/min。 对1~6撑复合材料气瓶进行0~36MPa的400次 疲劳试验,验证气瓶的水压疲劳性能,升压速率为 10MPa/min;疲劳试验后再分别对1~6#复合材料气 瓶进行水压爆破试验,升压速率为10MPa/min,验证 复合材料气瓶的爆破压强。 1.3.4复合材料气瓶声发射检测试验 在6件不同缠绕张力复合材料气瓶水压自紧的 实验过程中对复合材料气瓶的声发射信号进行了检 测。复合材料容器检测采用150kHz传感器和固定 检测门槛,检测门槛值为55dB。传感器布置采用了 柱形定位和区域定位相结合的方式,在气瓶上的不 同部位布置了5个传感器。1号传感器在上管口 处,2~5号传感器分别在上下过渡区上,呈现交错布 置,传感器布置见图2。 图2声发射传感器位置示意图 Fig.2SchematicgraphoftheseRingpositionofthe acousticemissionsensorsonthevessels 1.3.5复合材料气瓶的CT检测试验 对实验过程中存在异常区域的复合材料气瓶进 行CT检测,每5mm做一个CT图片。 2结果与讨论 2.1薄壁金属内衬的外压失稳实验 薄壁金属内衬在进行外压失稳试验过程中,载 荷加至0.206MPa时,内衬出现异响,停止加载。拆 除工装后检查内衬出现破坏。内衬的破坏情况为: 内衬三面向里凹起,筒身段出现沿纵向的裂纹,封头 部位由于较厚未出现破坏,金属内衬整体呈现屈服 破坏形式,最后的失稳压力为0.206MPa。从实验结 果上看,内衬筒身段由于其厚度较薄仅1.4ram,为外 压失稳的薄弱环节。 根据以上的结果,在缠绕过程中如果缠绕张力 选取过大,容易超过金属内衬屈服极限,导致气瓶出 现失稳破坏。缠绕张力产生的径向外压不能简单叠 加,这主要是由于缠绕过程中外层的纤维会使内层 的纤维张力松弛,这样会使得实际缠绕过程中内外 层纤维实际施加于金属内衬的外压力比实际简单叠 加的小很多。张力施加对内衬的压力影响由于受到 以上张力松弛等因素的影响较大,计算较复杂,难度 较大,需要进行气瓶的缠绕张力试验研究。 2.2不同缠绕张力NOL环的力学性能 不同缠绕张力复合材料NOL环的拉伸及层间 剪切强度的结果如图3和图4所示。随着缠绕张力 的增大,NOL环的拉伸与层间剪切强度呈现先增大 再减小的趋势,缠绕张力为70N时拉伸与层间剪切 强度达到最大值,分别为2920MPa与73MPa。这主 趣漆 缠绕张力对薄壁金属内衬复合材料气瓶性能影响 2015年10月 要是由于随着缠绕张力的增大,纤维的磨损加重,从 而影响拉伸强度,并且缠绕张力过大也会使得外层 纤维过渡挤压内层纤维,胶液从内向外迁移,导致内 层缺胶,这些都会导致复合材料层的性能下降;而缠 绕张力过小会导致缠绕过程中气泡等缺陷不易排 出,影响复合材料层的密实度,从而影响复合材料的 性能。以上结果表明缠绕张力对复合材料的拉伸以 — 及层间剪切性能具有较大的影响,复合材料在60 70N的缠绕张力范围内性能较优。 HI 2O 30 40 50 60 70 80 90 100 缠绕张力,N Windingtension/N 图3不同缠绕张力NOL环的拉伸性能 Fig.3TensilepropertiesofNOLhoopfabricated bydifferentwindingtensions 墓詈 鍪 l 10 20 ju 40 )u 叫 ,u w lot/ 缠绕张力,N Windingtension/N 图4不同缠绕张力NOL环的层剪性能 Fig.4InterlaminarshearstrengthofNOLhoopfabricated bydifferentwindingtensions 2.3不同缠绕张力复合材料气瓶的疲劳及 爆破实验 为了研究缠绕张力对薄壁金属内衬复合材料气 瓶疲劳以及爆破性能的影响,采用6种张力制度缠 绕成型复合材料气瓶,并且进行了400次疲劳以及 疲劳后的爆破实验,主要结果如表2所示。 确瓣 表2不同缠绕张力复合材料气瓶的疲劳以及爆破性能 Table2Fatigueandblastpropertiesofthevessels filamentwindingbydifferentwindingtensions 从表2可以看出,采用50N逐层递减张力制度 的复合材料气瓶的疲劳陛能差仅为210次。这主要 是由于缠绕张力会对金属内衬产生一个预压应力, 从而降低气瓶在工作压力下的应力水平,提高气瓶 的疲劳性能,缠绕张力小,预压应力较小,对气瓶的 疲劳性能改善有限,特别是对于薄壁金属内衬复合 材料气瓶而言,影响会更为显著,J。而采用60~ 70N之间逐层递减张力制度的复合材料气瓶均具有 较高的疲劳性能,并且400次疲劳后的爆破压强较 高。从爆破压强的数值上看,在合适的张力区间范 围内,张力制度对复合材料气瓶的爆破压强影响较 小。三件气瓶的爆破模式基本相同,均为在筒身段 靠近气瓶肩部沿环向破坏、在筒身段沿着纵向破坏, 破坏得较彻底,内衬与复合材料层的破坏碎片较多, 破坏模式一致性较好。 而5#以及6#气瓶在水压自紧实验的过程中出 现漏水,将5拌以及6#气瓶的漏水区域进行了CT扫 描,从图5上可以看出金属内衬与复合材料层出现 了明显的分层现象,并且金属内衬向内凹陷,出现了 明显的失稳破坏,与3#、4#气瓶缠绕张力为65N与 70N的气瓶相比差别较大。并且随着缠绕张力的增 大,6#气瓶的失稳现象明显严重于5#气瓶。¨ 如拈“ ‘ ∞ Bd甚口IIs8 *室瞬章辑 30 缠绕张力对薄壁金属内衬复合材料气瓶性能影响 2015年10月 会使得其对金属内衬的压应力较小,影响疲劳性能; 缠绕张力过大,会使得薄壁金属内衬在缠绕成型过 程中出现失稳破坏。从声发射的结果可以看出,采用 起始张力为65N、逐层递减张力制度的复合材料气 瓶在承压过程中信号最少,自紧过程应力释放得比 较充分,说明在此张力制度下复合材料气瓶性能最 优。缠绕张力对薄壁金属内衬复合材料气瓶的疲劳 以及爆破性能影响较大,声发射信号的收集研究可 以用于指导复合材料气瓶缠绕张力的优化与设计。 参考文献 [1]陈汝训.复合材料天然气气瓶设计的几个问题[J].宇航材料工 艺,2010,31(5):55.57. 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