纖維纏繞氣瓶壓力過(guò)載及沖擊損傷行為研究.pdf

1、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料作為一種新型材料，具有質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高、比模量大等特性，被廣泛應(yīng)用于壓力容器領(lǐng)域如高壓氣瓶等。復(fù)合材料氣瓶的失效過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的損傷累積過(guò)程，其損傷型式有界面脫粘、基體開(kāi)裂、纖維斷裂以及分層。當(dāng)材料出現(xiàn)損傷時(shí)，材料性能就會(huì)被劣化，其失效過(guò)程是一個(gè)漸進(jìn)過(guò)程。此外，復(fù)合材料由基體和纖維組成，在微觀上是非均質(zhì)材料，而在宏觀上表現(xiàn)出各項(xiàng)異性，這種特性更增加了復(fù)合材料氣瓶的力學(xué)分析難度。隨著氣瓶越來(lái)越廣泛的應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中，氣瓶的

2、安全性和可靠性越來(lái)越被人們所關(guān)心，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)氣瓶的損傷過(guò)程和爆破壓力是解決氣瓶安全經(jīng)濟(jì)的關(guān)鍵。然而，至今沒(méi)有一種完整有效的方法能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)復(fù)合材料氣瓶的失效行為及影響。
　　本文建立了全纏繞復(fù)合材料氣瓶的有限元模型，并結(jié)合漸進(jìn)損傷分析方法，來(lái)預(yù)測(cè)復(fù)合材料氣瓶的失效過(guò)程和爆破壓力。此外，將漸進(jìn)損傷與沖擊行為相結(jié)合，考察了沖擊對(duì)復(fù)合材料氣瓶損傷行為和承載能力的影響。結(jié)果表明:
　　(1)當(dāng)承受內(nèi)壓作用時(shí)，氣瓶筒體上環(huán)向纏繞層承擔(dān)了

3、較大的環(huán)向載荷，螺旋纏繞層承擔(dān)了較大的軸向載荷。纖維層基體開(kāi)裂損傷最先發(fā)生在螺旋纏繞層，當(dāng)所有螺旋纏繞層都發(fā)生了基體開(kāi)裂損傷后，環(huán)向纏繞層才開(kāi)始發(fā)生基體開(kāi)裂損傷。封頭上基體開(kāi)裂損傷是由封頭的兩端逐漸向中部擴(kuò)展。
　　(2)筒體上纖維斷裂損傷最先發(fā)生在筒體與封頭的連接部位，而后逐漸向筒體中間部位擴(kuò)展，同時(shí)纖維斷裂損傷更容易在環(huán)向纏繞層發(fā)生。當(dāng)氣瓶發(fā)生整體失效時(shí)，封頭只在與筒體連接的部位發(fā)生了纖維斷裂損傷，其它部位保持完好。在漸進(jìn)損傷

4、的基礎(chǔ)上，本文預(yù)測(cè)的氣瓶最終爆破壓力為114MPa，與實(shí)驗(yàn)測(cè)試的最小爆破壓力102MPa較為接近。
　　(3)氣瓶垂直跌落對(duì)氣瓶筒體與封頭的連接部位影響較大。會(huì)在此處造成基體開(kāi)裂和纖維斷裂，而對(duì)筒體的影響較小，不會(huì)造成損傷。垂直跌落后，損傷主要出現(xiàn)在纖維層的外側(cè)，且螺旋纏繞層更容易發(fā)生基體開(kāi)裂損傷。跌落后，氣瓶在內(nèi)壓作用下，損傷會(huì)在筒體與封頭的連接部位率先發(fā)生，隨后向相鄰區(qū)域和相鄰纖維層擴(kuò)展。20m/s垂直跌落的氣瓶，剩余承載能力