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充气速率对全复合材料车用天然气气瓶强度的影响２０１０年３月充气速率对全复合材料车用天然气气瓶强度的影响徐延海，李永生，黄海波（西华大学交通与汽车工程学院，四川成都６１００３９）摘要：以某全复合材料车用天然气气瓶为研究对象，针对气瓶充气过程中几种常见的速率，研究了充气速率对含缺陷在役气瓶强度的影响。首先，在气瓶的几个典型部位设计了不同长度和深度的损伤来模拟在役气瓶的缺陷，并建立了数值模型。然后运用子模型法，在不同的充气速率下对各个损伤部位进行计算和分析。结果表明，随着充气速率的增加，气瓶的应变率增大，损伤附近的等效应力明显增大。分析结果为今后充气速率的选取提供了一定的依据，同时也为气瓶强度的检验提供了参考。关键词：复合材料气瓶；充气速率；强度；数值分析中图分类号：Ｕ４６５．６文献标识码：Ａ———文章编号：１００３０９９９（２０１０）０２００４８０４１引言复合材料研究和制造技术的不断发展使得复合材料制品和应用领域也在不断增多Ｊ，其中全复合材料天然气气瓶以其重量轻、制造成本低等优点得到了广泛应用。目前，在国内已有许多公司开始进行车用复合材料气瓶的生产。在气瓶使用过程中，内部要承受２０ＭＰａ以上的压力，同时气瓶的使用过程以及环境极其复杂，许多在役气瓶不可避免地存在一定的缺陷或损伤，现在已有文献对气瓶的损伤和结构优化设计～进行了研究，并取得了进展。但由相关资料知道，材料的性能随着应变率的变化而不断变化，而气瓶的设计中只考虑了气瓶常规充气压力以及速率，但在使用中往往存在不按照规范要求充气的现象，这些因素对气瓶的寿命以及安全有很大的影响，有着比较重要的研究价值。本文在设计了不同尺寸缺陷的基础上，针对充气过程中几种常见的充气速率，充分考虑材料的性能随应变率的变化过程，利用数值分析得到了充气速率对含缺陷气瓶强度的影响。２复合材料气瓶的几何特征和材料分布本文的研究对象为某公司的全复合材料天然气气瓶。内衬材料是高密度聚乙烯（ＨＤＰＥ），厚度为６ｍｍ；外面由碳纤维缠绕而成，奇数层缠绕角为５４。，偶数层为一５４。，每层纤维的厚度为０．２ｍｍ。工作压力为２０～３０ＭＰａ，容积为５０Ｌ。现在取气瓶三个不同的部位进行分析，分别为：上封头附近（Ａ处）、筒身（Ｂ处）、下封头附近（Ｃ处），如图１所示。其剖面和材料分布如图２所示。图１气瓶模型的划分Ｆｉｇ．１Ｔｈｅｄｉｖｉｄｅｄｚｏｎｅｏｆｃｙｌｉｎｄｅｒ气瓶嘴（碳钢）内衬（ＨＤＰＥ）外层（纤维）图２气瓶的剖面图以及材料分布Ｆｉｇ．２Ｔｈｅｃｒｏｓｓｓｅｃｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌｓｏｆｃｙｌｉｎｄｅｒ３充气速率对材料性能的影响“根据ＧＢ５０１５６－２００２汽车加油加气站设计与施”工规范，加气时加气机流量不大于０．２５ｍ／ｍｉｎ，则对于本气瓶来说充气机允许的最短时间为０．２ｍｉｎ。同时，由文献［１０］可知，日常使用的天然气汽车的充气时间一般在５～１０ｍｉｎ内不等。在此分别取０．５ｍｉｎ、５ｍｉｎ、１０ｍｉｎ三个不同的工况进行分析。假设气瓶充气时残余气体体积可以忽略，则相应的充气速率分别为１００ＩＶｍｉｎ、１０Ｌ／ｍｉｎ及５Ｌ／ｍｉｎ。收稿日期：２００８－０９－０５基金项目：四川省科技厅自然科学重点资助项目（ｏ７ＪＹＯ２９－０１ｏ）；科技部资助项目（２００６ＡＡ１１ＡｌＥ３）作者简介：徐延海，男，博士，副教授，主要从事汽车动力学、汽车零部件强度、整车性能测试与分析等方面的研究。ｍ＝ＦＲＰ／ＣＭ薰２ｏ１Ｏ・Ｎｏ．２∞誊∞充气速率对全复合材料车用天然气气瓶强度的影响２０１０年３月损（ｃ）ｃ处的等效应力分布图４不同充气速率下各损伤部位的应力分布Ｆｉｇ．４Ｔｈｅｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｓｔｒｅｓｓｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｎｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｚｏｎｅｓｉｎｔｈｅｃｙｌｉｎｄｅｒｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉｎｆｌａｔｉｏｎｒａｔｅｓ图４中（ａ）、（ｂ）、（ｃ）中的３个曲面分别代表不同充气速率下损伤处等效应力的变化趋势，其中最下面的为５Ｌ／ｍｉｎ时的应力变化趋势，中间的为１０Ｌ／ｍｉｎ时的变化趋势，最上面的为ｌＯＯＬ／ｍｉｎ的变化趋势。当损伤位置位于Ａ处时，虽然充气速率不同，等效应力值均随着裂痕深度和长度的增加而变大，且变化趋势基本相同。同时，充气速率越快，气瓶的应变率越大，应力值也越大。当损伤位置位于Ｂ处时，三种不同充气速率下，损伤处的等效应力值变化趋势也基本相同，此时应力变化受充气速率的影响很小，甚至有所减小。当损伤位置位于ｃ处时，充气速率对损伤处的应力分布影响最大，变化趋势发生了明显改变，呈现出递增趋势。应力的增加比前两个部位要显著得多。４．３充气速率对脱层部位的影响全复合材料气瓶采用纤维缠绕塑料内衬的方式，将内部气体的压力转移到纤维层来承受。因此内外层的结合是否完好直接关系到应力的分布是否均匀。而气瓶在使用过程中经常出现内外层脱层的现象。在脱层部位，气体的压力不能很好地传递到外层纤维，从而使得脱层四周的应力显著增加。对比图５中的（ａ）、（ｂ）、（ｃ）可以看到，尽管部位不同，但内衬上的应力随着脱层面积的增大而不断增加，且气瓶的Ａ处和ｃ处的应力要高于Ｂ处。同时，在每个部位，应力均随着充气速率的增加而增大，以ｃ处最明显。同时可以看出，当内衬的许用应力为８０ＭＰａ时，如果脱层面积为１２０ｍｍ，充气速度为５Ｌ／ｍｉｎ，则最大应力仍在允许范围内，如若以ｌＯＯＬ／ｍｉｎ的速率充气，此时最大应力早已超出材料的许用值，会造成气瓶的破坏。ｌＯ０—８０室６０巷４０２００１００８Ｏ６０翻４０较２００ｌ００８Ｏ山６０翅４０赖２ＯＯ０４０８０１２０１６０２００２４０脱层面￣４ｍｍ２（ａ）Ａ处的等效应力分布０４０８０１２０ｌ６０２Ｏ０２４０脱层面￣４ｍｍ２（ｂ）Ｂ处的等效应力分布０４０８０１２０ｌ６０２００２４０脱层面积，ｍｍ２（ｃ）Ｃ处的等效应力分布图５不同充气速率下脱层处内衬上的应力分布Ｆｉｇ．５Ｔｈｅｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｓｔｒｅｓｓｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｉｎｔｈｅｄｅｌａｍｉｎａｔｅｄｚｏｎｅｓｏｆｔｌｌｅｌｉｎｅｒｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉｎｆｌａｔｉｏｎｒａｔｅｓ一室翘较神甜室－Ｒ校１０００］５ｌ０Ｌ／ｒａ血ｉｎＩ９００１［－－ＩＯＯＩ．／ｍｉｎ［；：：４ｏ０————————ｊ＿一脱层面积／ｒａｍ２（ａ】Ａ处的等效应力分布１０００］Ｉ一５ｕｍｉｎｌ９００１—ＩｌＯＯＬ／ｍｉ￣ｌｉ０Ｌ／ｍｉｎ１Ｉ¨啊一ｌ６ｏｏ］｛０４０８０１２０１６０２００２４０脱层面积／ｍｍ２（ｂ）Ｂ处的等效应力分布日皂《通２０１０年第２期玻璃钢／复合材料霎１翼５００ｊ０４０８０１２０１６０２００２４０脱层面积／ｍｍ２（ｅ）Ｃ处的等效应力分布图６不同充气速率下脱层处外层纤维上的应力分布Ｆｉｇ．６Ｔｈｅｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｓｔｒｅｓｓｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｉｎｔｈｅｄｅｌａｍｉｎａｔｅｄｚｏｎｅｓｏｆｔｈｅｏｕｔｅｒｆｉｂｅｒｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉｎｎａｔｉｏｎｒａｔｅｓ从图６中的（ａ）、（ｂ）、（Ｃ）可以看出，虽然部位不同，外层纤维上的应力也都随着脱层面积的增加而不断增大，尤其Ａ处和Ｃ处最为明显，而Ｂ处的变化很小。同时，每个部位脱层处的应力也随着充气速率的增加不断增大，且ｃ处的变化最大，Ｂ处则变化非常小。由于纤维的拉伸强度很高，可以达到１５００ＭＰａ以上，因此对外层纤维相对于内衬来说要安全的多。５结论本文主要研究了充气速率对全复合材料车用天然气气瓶强度的影响，通过分析可以得到如下结论：（１）当气瓶没有损伤时，气瓶整体的应力分布随着充气速率的增加而增大，且Ｃ处的应力变化要高于Ａ处和Ｂ处；（２）当表面划痕损伤位于气瓶的Ａ处和ｃ处时，该处的应力随着充气速率的增加不断增大，特别是在Ｃ处，呈递增的上升趋势。而在气瓶的中间部位，充气速率对应力变化的影响不明显；（３）当气瓶存在脱层缺陷时，在脱层处内衬以及外层纤维上的应力随着充气速率的增加都有所增加，但Ｃ处最为明显。由于塑料的许用应力较低，因此充气速率对内衬的影响要大于外层纤维。参考文献［１］谭家茂，张淑萍．我国复合材料工艺研究及应用开发［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２００４，（０５）：５３－５５．［２］张福华，王荣国，赫晓东．碳纳米管／聚合物复合材料及其应用［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２００７，（０３）：５２．［３］苏峰，于柏峰，贺晶．纤维缠绕设备的创新和发展［Ｊ］．纤维复合材料，２００８，２５（１）：４９＿５１．［４］张洁．国内复合材料气瓶发展及气瓶标准状况概况［Ｊ］．纤维复合材料，２（】０７，３８（３）：３８－３９．［５］张晓兵，魏喜龙，宋凌云．复合材料压力容器基本开裂损伤的研—究［Ｊ］．纤维复合材料，２００８，２５（１）：７１０．［６］王德昭．复合材料叠层板损伤应变能释放率［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２ｏｏ５，３７（３）：６．［７］李小明，邱桂杰，刘锦霞．某型复合材料气瓶优化设计［Ｊ］．纤维复合材料，２００７，２４（１）：２１－２３．—［８］ＦｅｒｅｓｈｔｅｈＳａｎｉｅｅ，ＧＨ．Ｍａｊｚｏｏｂｉ，Ｍ．Ｂａｈｒａｍｉ．Ａｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ—ｓｔｕｄｙＯｌｌｔｈｅｂｅｈａｖｉｏｒｏｆｄａｓｓｅｐｏｘｙｃｏｍｐｏｓｉｔｅａｔｌｏｗｓｔｒａｉｎｒａｔｅｓ—［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００５，１６２１６３（１）：３９－４５．［９］ＸｉａｎｇｙａｎｇＨａｏ，ＧｕｏｓｈｅｎｇＧａｉａ，ＦａｎｇｙｕｎＬｕｂ．Ｄｙｎａｍｉｃｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｗｈｉｓｋｅｒ／ＰＡ６６ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓａｔｈｉｇｈｓｔｒａｉｎｒａｔｅｓ［Ｊ］．Ｐｏｌｙｅｒ，２００５，４６（１Ｏ）：３５２８－３５３４．［１Ｏ］高鲁嘉，鲁雪生，杨晓东．天然气汽车燃料加注的几个问题［Ｊ］．能源工程，２００１，１３（１）：１８－２２．［１１］徐延海，李永生，黄海波．表面损伤对全复合材料车用天然气—气瓶强度的影响［Ｊ］．天然气工业，２００８，２８（１）：１３２１３３．［１２］陈思颖，黄晨光，段祝平．几种高性能纤维束的冲击动力学性能实验研究［Ｊ］．爆炸与冲击，２００３，２３（４）：３５５－３５９．［１３］杨剐，于丰，张爱锋．几种层合板壳分层后屈曲分析［Ｊ］．纤维复合材料，２００３，２０（１）：３．［１４］贺跃进，张恒．复合材料层合板脱层诊断的实验研究［Ｊ］．材料—导报，２００８，２２（５）：１４０１４１［１５］ＹａｎｈａｉＸｕ，ＹｏｎｇｓｈｅｎｇＬｉ．ＴｈｅＦｉｆｔｈＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＰｈｙｓｉｃａｌａｎｄＮｕｍｅｒｉｃａｌＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇ：Ｎｏ２［ｃ］．Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ，Ｃｈｉｎａ，２００７．ＩＮＶＥＳＴＩＧＡＴＩｏＮＴｏＴＨＥＤＬＵＥＮＣＥｏＦＤＬＡＴＩｏＮＲＡＴＥｏＮＴＨＥＳＴＲＥＮＧＴＨｏＦＣｏＭ口Ｅ＇ｏＳＩＴＥＮＡＴＵＲＡＬＧＡＳＣＹＬＥＲＵＳＥＤＦｏＲＶＥＨＩＣＬＥＳ———ＸＵＹａｎｈａｉ，ＬＩＹｏｎｇｓｈｅｎｇ，ＨＵＡＮＧＨａｌｂｏ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＴｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎａｎｄＡｕｔｏｍｏｂｉｌｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＸｉｈｕａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ６１００３９，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉｎｆｌａｔｉｏｎｒａｔｅｓｏｎｔｈｅｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅｎａｔｕｒａｌｇａｓｃｙｌｉｎｄｅｒｓｕｓｅｄｆｏｒｖｅｈｉｃｌｅｓｗａｓｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．Ｆｉｒｓｔ，ｔｈｅｎｕｍｅｒｉｃａｌｍｏｄｅｌｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅｎａｔｕｒａｌｇａｓｃｙｌｉｎｄｅｒｗａｓｂｕｉｌｔｗｉｔｈＡＮＳＹＳｓｏｆｔｗａｒｅ，ａｎｄｔｈｅｄａｍａｇｅｓｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｌｅｎｇｔｈａｎｄｄｅｐｔｈｗ＿ｅｒｅｄｅｓｉｇｎｅｄｉｎｓｏｍｅｔｙｐｉｃａｌｚｏｎｅｓｏｆｔｈｅｃｙｌｉｎ．—ｄｅｒ．Ｔｈｅｎ，ｔｈｅｎｕｍｅｒｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓｗａｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｔｏｏｂｔａｉｎｔ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