船用新型复合高压气瓶设计与试验研究.pdf

　６２　　　船用新型复合高压气瓶设计与试验研究　　船用新型复合高压气瓶设计与试验研究　巩克壮　　　　（海军装备研究院，北京１００１６１）　　摘要：利用１０ｍｉｎ碳纤维增强复合材料环缠加强现役钢质气瓶，实现了船用新型复合高压气瓶的研制，并参照相关标准　　　　　开展了水压、爆破、气密、疲劳等试验研究。结果表明，复合材料较好地分担了气瓶环向应力，爆破压力达到１２５ＭＰａ，经０～　　４０ＭＰａ、１２０００次填充疲劳试验不发生破坏。试验表明复合气瓶设计合理，安全可靠性高，是实现船用新型高压气瓶研制的较　　　好技术途径。　　关键词：高压气瓶；复合材料；水压试验；爆破试验；疲劳试验　　　　　——　中图分类号：ＴＢ３３２文献标识码：Ａ文章编号：１００３０９９９【２０１６）０１～００６２０５　　　１前言　高压空气瓶是舰船高压空气系统的关键设备之一，　可以为舰艇战斗力、生命力提供重要的保障和支　　　持。为确保舰艇总体安全性和生命力，提高高压空　气储量，同时降低总体布置难度，研制新型高压力、　大容积的高压空气瓶势在必行。　在金属高压空气瓶方面，国内有关单位开展了　高强度钢质气瓶与钛合金气瓶的研制。通过研仿国　　　　　外高强度钢材，预计气瓶设计厚度可控制在２０ｍｍ　　左右，重量可与现役钢质气瓶相同。但新研钢种技　　　术困难、周期漫长，且材料性能、工艺可靠性等方面　　　存在诸多不稳定因素，因此该技术途径还有待进一　　步验证。钛合金气瓶工艺难度大，稳定性较差，冲压　　　工艺容易导致缺陷的产生ｌｌＪ，降低气瓶承受低周疲　　　劳的能力，且价格昂贵，不利于推广应用。　　　在复合材料气瓶方面，目前国内主要在航空航　　　　　天以及汽车领域有着大量应用Ｊ。崔广群等针　　　　对航天用６０ＭＰａ复合材料气瓶，从材料选择、结构　　　　　设计和成型工艺等方面进行了系统研究。张天平等¨　　　设计了卫星推进系统复合材料氦气瓶，采用钛　　　　内衬碳纤维缠绕，容积为５０Ｌ，工作压力￣＜３０ＭＰａ，由　　　有限元法对复合材料气瓶的静力学、稳定性和模态　　　　　　　　　　进行分析验证，并给出了鉴定试验结果。左惟炜　　　　等研究了三维编织复合材料车载天然气高压储气　　　　瓶的屈曲与优化设计问题。林再文等对薄壁铝内　　　　衬芳纶纤维缠绕复合材料高压气瓶的设计、工艺制　　　　作、试验进行了研究。但这些复合气瓶普遍工作压　　　　力低、容积小、疲劳寿命不高，不能满足舰艇高压气　　瓶的使用条件要求。　　　　为此，本研究通过大量调研，结合国内现状，提　出在舰艇现役钢质气瓶基础上缠绕碳纤维复合材料　研制新型复合气瓶的思想，并设计制作了气瓶，进行　了水压、爆破、气密、疲劳等试验验证。试验结果表　　明，复合气瓶设计合理，安全可靠性高，满足舰艇使　　　用安全要求，是实现船用新型高压气瓶研制的较好　技术途径。　　２复合气瓶设计　　　由于钢质气瓶受内压作用时，其圆柱段简体的　　　　环向应力是纵向应力、球壳和瓶嘴应力的两倍。提　高高压空气瓶工作压力等级，应从提高瓶体的周向　　　　　　应力人手。根据这一理念，提出新型船用复合高压　　气瓶的研制思想：由钢质气瓶与新型高强材料复合　而成，通过在满足舰艇使用要求的现役钢质气瓶直　筒段，采用比强度较高的碳纤维复合材料环向缠绕　　加强，实现新型船用复合气瓶的研制。　　　　　２．１设计依据　　　　　参照ＧＢ１５０一ｌ９９８钢质压力容器设计要求以　　　　及ＧＪＢ３９２一ｌ９８７航空用玻璃纤维增强塑料压力容　器标准，提出如下设计依据：　　　（１）复合气瓶在４０ＭＰａ内压作用下，钢瓶最大≤　综合应力０．５０＂；　　　（２）复合气瓶在６０ＭＰａ内压作用下，钢瓶最大≤　综合应力０．７５０－，碳纤维复合材料的拉伸许用应≤　力０．７Ｘ．；　≥　（３）复合气瓶爆破压力１００ＭＰａ；　　—　收稿日期：２０１５１ｌ一０５　　　　　　　　作者简介：巩克壮（１９８３一），男，博士，工程师，主要从事复合材料方面的研究，ｚｈｕａｎｇ１００８７１＠１６３．ｔｏｍ。　　　　　Ｗ／Ｃ誊６．Ｎｏ．１　船用新型复合高压气瓶设计与试验研究　　２０１６年１月　　　４结论　　　为提高舰艇的安全性和生命力，本研究提出了　　　新型船用复合气瓶的设计方法，利用１０ｍｍ碳纤维　　增强复合材料环缠加强现役钢质气瓶，并采用有限　　　元进行了受力情况分析。参照相关标准开展了水　　　　　　压、爆破、气密、疲劳等试验研究，结果显示，复合材　　　　料较好地分担了气瓶环向应力，４０ＭＰａ内压下复合　气瓶钢质部分环向应力与原钢瓶额定工作压力下相　同；复合气瓶工作压力下气密性良好；爆破压力达到　—　　　１２５ＭＰａ；经０４０ＭＰａ、１２０００次填充疲劳试验不发　生破坏。试验表明，复合气瓶设计合理，安全可靠性　高，满足舰艇使用安全要求，是实现船用新型高压气　瓶研制的较好技术途径。　参考文献　　　　　［１］苏楠．钛气瓶成形中旋压技术的应用及分析『Ｄ］．江苏：扬州大　　学，２０１４：２－５．　［２］田振生，等．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［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２０１３，４：６２６６．　［３］徐延海，李永生，黄海波．全复合材料车用天然气气瓶使用寿命　　—　的计算与分析［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２０１０，３：５２５５．　［４］费川，董鹏．复合材料气瓶的特点及其应用［Ｊ］．纤维复合材料，—　２０１４，２：５３５５．　［５］王浩，郭丽敏．大飞机用复合气瓶［ｃ］／／大型飞机关键技术高　　　　　　　　　　层论坛暨中国航空学会２００７年学术年会论文集，广东深圳：　２００７：１－４．　［６］崔光群，肖文刚，仙宝君．航天用超高压复合材料气瓶的研制　—　［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２０１４，６：４０４３．　［７］张天平，等．一种卫星推进系统复合材料氦气瓶设计及验证　—　［Ｊ］．上海航天，２００６，３：４１４８．　［８］左惟炜，等．三维编织复合材料高压储气瓶的屈曲分析与优化　—　设计［Ｊ］．中国机械工程，２００７，１８（３）：２８６２９１．　［９］林再文，等．薄壁铝内衬芳纶缠绕高压气瓶的研制［Ｊ］．纤维复　　合材料，２００３，１：３０．３２．　　　　　　　　　　　Ⅲ　　　　ＤＥＳＩＧＮＡＮＤＥＸＰＥＲＩＭＥＮＴＡＬＳＴＵＤＹＯＦＮＥＷＭＡＲＩＮＥＣＯＭＰ０ＳＩＴＥＧＨＰＲＥＳＳＵＲＥＶＥＳＳＥＬ　—　ＧＯＮＧＫｅｚｈｕａｎｇ　　　　（ＮａｖａｌＡｃａｄｅｍｙｏｆＡｒｍａｍｅｎｔ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１００１６１，Ｃｈｉｎａ）　　　　　　　　　　　　　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓｓｔｕｄｙａｃｈｉｅｖｅｓｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｎｅｗｍａｒｉｎｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｈｉｇｈｐｒｅｓｓｕｒｅｖｅｓｓｅｌ，ｂｙｒｅｉｎｆｏｒｃｉｎｇｔｈｅ—　　　　—　　　　　　　ｉｎｓｅｒｖｉｃｅｓｔｅｅｌｖｅｓｓｅｌｕｓｉｎｇ１０ｍｍｔｈｉｃｋｎｅｓｓｓＣＦＲＣｃｉｒｃｕｍｆｅｒｅｎｃｉａｌｌｙ．Ａｎｄｈｙｄｒｏｓｔａｔｉｃｔｅｓｔ，ｂｌａｓｔｔｅｓｔ，ａｎｄｆｉｔａｇｕｅ　　　　　　　　　　　　　　　ｔｅｓｔａｒｅｃａｒｒｉｅｄｏｕｔ，ｒｅｆｅｒｒｉｎｇｔｏｃｏｒｒｅｌａｔｉｖｅｓｔａｎｄａｒｄｓ．Ｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍａｔｅｒｉａｌｓｓｈａｒｅｔｈｅｈｏｏｐ　　　　　　　　’　　　　　　ｓｔｒｅｓｓｐｒｅｆｅｒａｂｌｙ，ｔｈｅｂｌａｓｔｐｒｅｓｓｒｅａｒｒｉｖｅｓ１２５ＭＰａ，ａｎｄｔｈｅｖｅｓｓｅｌｄｏｎｔｂｒｅａｋａｆｔｅｒ０￣４０ＭＰａ，１２０００ｔｉｍｅｓｆｉｌｌｉｎｇ　　　　　　　　　　　　　　　　ｆａｔｉｇｕｅｔｅｓｔ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｒｅｖｅａｌｔｈａｔｔｈｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｖｅｓｓｅｌｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄｒｅａｓｏｎａｂｌｙ，ｈａｓｈｉｇｈｓａｆｅｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ，ａｎｄｉｔｉｓａ　　　　　　　　　　　ｂｅｔｔｅｒｔｅｃｈｎｉｃａｌｍｅｔｈｏｄｔｏｄｅｖｅｌｏｐｔｈｅｎｅｗｍａｒｉｎｅｈｉｇｈｐｒｅｓｓｕｒｅｖｅｓｓｅ１．　　　　　　　　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈｐｒｅｓｓｕｒｅｖｅｓｓｅｌ；ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍａｔｅｒｉａｌ；ｈｙｄｒｏｓｔａｔｉｃｔｅｓｔ；ｂｌａｓｔｔｅｓｔ；ｆｉｔａｇｕｅｔｅｓｔ　激　ｏ．