摘要 在复合压力容器的制造过程中,纤维缠绕过程中的纤维张力对结构的机械性能以及重量效率有重要影响,因此本文对此进行了研究。制造并测试了三组样本:A)钢衬作为参考,B)纤维张力为 3 N的低纤维张力复合容器,C)纤维张力为 80 N的高纤维张力容器。本文讨论了制造过程,特别关注纤维张力这一参数及其相关挑战。进行了带有应变测量和声发射(AE)的爆破试验,并对结果进行了统计分析。还对容器的结构行为及其对重量效率的影响进行了额外的数值研究,以支持实验结果。研究表明,纤维张力的增加在钢衬上引起压缩应力,导致爆破压力增加并对声发射产生影响。此外,由于纤维张力增加,复合层压板的纤维体积分数(FVF)增加,从而导致更高的机械性能和重量效率的提高。
自 20 世纪下半叶以来,航空、能源和民用建筑行业感受到了对更坚硬、更强韧和更轻质材料的需求。这些高要求,以及日益增加的复杂性和对更高效技术与结构的需求,导致了复合材料的使用增加[1,2]。人造复合材料具有高的比强度和设计可变性,以及各种材料组合的可能性,使其非常适合满足飞机、汽车、船只或电动机结构的不同要求。在 20 世纪 80 年代,希尔和于尔根斯[2,3]研究了复合材料对战斗机结构的影响。他们的结果表明,这些材料的使用在设计工程中引入了显著的流动性,迫使设计分析人员为每一个不同的应用提出特定的材料。确定复合材料性能的材料科学研究基于四种不同的方法:系统的、协同的、信息的和整体的[4,5]。在本文中,仅涉及系统方法。系统方法是一套方法和工具,能够探索对象、现象或过程的性质、结构和功能。它代表了一个由系统中各组件相互之间以及与环境的相互作用所定义的多元素关系的系统。这种方法的主要特征是使用一个综合模型,由此一个系统的性能不仅由其各个元素的特征决定,而且由整个系统的结构决定[4-8]。相互连接的结构元素只有当这些元素之间的关系产生一种新的特殊性质时才会创建一个系统。在合并过程中,一些性质可能会被抑制,而另一些性质可能会得到加强[5]。总的来说,复合材料可以被描述为[5]:
图1 研究中使用的示例:a)b系列纤维张力3N和b)c系列纤维张力80 N
• 为特定目的和功能而设计,它们在实现这一目标的过程中发展;
在纤维缠绕过程中有两种不同的纤维处理方法。在第一种方法中,干纤维被沉积,随后用树脂浸渍,而在第二种方法中,纤维在湿缠绕过程中被树脂浸渍以形成复合结构。在接下来的部分,将以第二种方法作为参考。纤维缠绕过程的基础是用浸渍纤维缠绕的芯模。结构的机械强度不仅取决于复合材料的组成,还取决于诸如缠绕角度、纤维张力、树脂类型和固化周期等工艺参数。缠绕过程还可以扩展到包括位置信息[9-12]。光纤的使用使得在该过程中能够实现温度和变形传感器,这允许在纤维缠绕过程中对制造参数进行额外的控制[9,12,13]。
在缠绕过程结束时,根据所使用的树脂类型,结构在室温下或在具有受控热分布的烘箱中进行固化[10,12]。纤维缠绕主要用于具有圆形或椭圆形横截面的空心元件。其中最常见的应用之一是压力容器。不同可能材料组合的优势允许为各种介质如压缩天然气(CNG)或最近的压缩氢气(CGH2)设计专门的高压复合容器,压力水平可达 700 巴[29,30]。树脂固化温度、缠绕速度、层数和缠绕宽度是在纤维缠绕过程中描述此类高压复合容器的最常见参数。然而,其他参数如丝束宽度、缠绕时的温度或纤维排列[12]也会影响制造的复合容器。
图 3. a) 容器上的缠绕图案,b) 干纤维沉积试验,c) 纤维张力为 3 N 时的湿法缠绕过程
图4 在80 N时,缠绕眼处的纤维磨损
图2. a)带有钢衬垫尺寸的CAD模型和b)衬垫照片
图5 在制造过程中具有3N和80 N纤维张力的复合压力容器的表面
图6 在测试衬垫(a)和复合容器(b).上的粘合应变计的模式
以下部分提供了对复合材料容器样本准备工作的描述。
图7 压力试验的实验设置
3.1. 选择衬里材料的背景
在本出版物作者之前进行的研究中,聚合物和钢衬里都被用于测试复合材料容器。基于经验,由于几个原因[54-56]决定选择钢材料作为衬里:• 钢衬里的强度——在缠绕过程中,聚合物衬里的拉伸力很难得到补偿。此外,钢在缠绕期间能防止衬里发生屈曲。• 对性能的了解——钢的线性和塑性行为是广为人知的,(而聚合物对机械因素的反应则更难预测)。• 减少变量——在使用钢衬里时,与实验不相关的变量,如温度、湿度、金属凸台和聚合物之间的问题以及缠绕过程中复合材料的松弛等,无需考虑。• 衬里的圆顶强度——由于缠绕角度为±54°,不可能用复合材料覆盖圆顶。在聚合物衬里的情况下,即使在低压值下,未被覆盖的圆顶也会被破坏。
图 8. ANSYS Material Designer 中的均质化 RVE 单元
表2 在均质化过程中使用的线性弹性材料性能(环氧树脂、碳纤维)
图9 内衬钢材料的塑料应力与真实应力的关系
3.2. 测试对象
在本研究中,对三个系列的复合材料容器进行了研究:A 系列不包含复合材料层,B 系列和 C 系列包含分别用低(3 牛)和高(80 牛)纤维张力制造的复合材料层。每个样本都有相同型号的衬里。表 1 中给出了所分析系列的详细描述。实验中使用的衬里是通过将凸台、圆顶、管道和配件焊接在一起形成的。所有部件均由 St3 钢制成,其几何形状被选择以获得最大受力状态的圆柱形表面。焊接过程由于圆柱体和圆顶之间的厚度差异而具有挑战性;然而,经过几次尝试,有可能选择合适的参数来成功完成这一过程。钢衬里的最终模型如图 2a)和图 2b)所示。
3.3. 纤维缠绕工艺
压力容器复合材料外壳的纤维缠绕是使用来自博伦茨与舍费尔的五轴缠绕机和来自 EHA 复合机械的气动线轴单元完成的。对于两种不同的设置制造,使用了技术上尽可能低的纤维张力(3 牛)和选定的较高纤维张力(80 牛)。沉积了七层在±54°方向覆盖表面的复合材料。B 系列和 C 系列的固化过程完全相同,在 30°C 的加热室中旋转以避免制造大厅中温度波动的影响。在图 3 中,展示了带有所用缠绕模式的钢衬里(a)以及干纤维沉积试验的结果(b),此外还展示了湿纤维缠绕过程(c)。在高纤维张力(80 牛)的过程中记录了几个挑战。第一个挑战是沿着容器圆顶改变缠绕方向时纤维放置的敏感性。因此必须遵循精确的沉积路径以避免纤维在任一方向上的滑动。第二个挑战是在穿线孔处的纤维磨损(见图 4)。这导致了两个问题,首先在纤维进给过程中纤维被移除或随机排列到达结构上,导致出现如图 5 所示的表面,其次纤维可能被损坏,导致机械性能下降。然而,确切的损坏取决于各个制造设置的参数,例如偏转点的数量。3.4. 应变测量
在研究中,将 TENMEX 应变片(测量基长 3 毫米,常数 k = 2.19,初始电阻 120 欧姆)粘贴到测试对象上。传感器根据图 6 所示的图表进行布置和定向。应变片的电气连接和表面用特殊制剂进行固定,以防止机械损坏以及与水或油接触。以这种方式制备的衬里和复合材料容器在静态爆破试验中进行了研究。
3.5. 实验设置和测试程序的描述
在本研究中,使用了一个专门设计和构建的实验设置来进行力学实验。测试衬里和复合材料容器被注水、排气,然后连接到压力装置(图 7)。压力从零增加到破坏点。这部分实验的目的是模拟由气体(如氢气)引起的内部压力。由于水的不可压缩性质,所以用水作为压力介质。水被倒入容器中以在测试对象的内表面上施加负荷,这由压力控制器控制。连接到 HBM MGC Plus 的应变片记录了衬里或复合材料容器外表面的应变。六个声学传感器以自由环的形式布置,以记录压力测试期间的事件。由于衬里或复合材料的连续性被打破,水出现在外表面上,最常见的是以喷泉的形式,这表明失效。
4.1. 模型准备 假定复合材料呈线性弹性,通过 ANSYS 材料设计器算出纤维单向材料特性。选用图 8 所示的代表性体积单元(RVE)来代表六边形纤维位置,所建网格为周期性的,以便应用周期性边界条件。模型中纤维和树脂的材料特性如表 2 所示。碳纤维在纵、横方向的杨氏模量差异显著[57],但因数据表未定义横向杨氏模量,且如[58]所证,可用各向同性弹性模量和泊松比来准确探究 B 系列和 C 系列样本间的差异。对 B 系列纤维体积分数为 45%和 C 系列纤维体积分数为 63%的复合材料均重复进行均匀化处理。表 3 中所得材料特性为横观各向同性,这是正交各向异性的特殊情况。根据查米斯在[59]中的方法,基于纤维拉伸强度乘以纤维体积分数来计算纤维方向上复合材料的拉伸强度 S11T。用于衬垫的钢材料模型为有定义损伤的弹塑性模型,其塑性应变与真实应力图如图 9 所示。在 Abaqus/CAE 环境中准备有限元分析模型,由 Abaqus 6.14 求解。将容器建模为带定义对称条件的四分之一部分,如图 10 所示,压力施加于衬垫内表面。使用 Abaqus 插件 WCM(缠绕复合材料建模器)对复合材料部分建模。因缠绕工艺,圆顶区域复合材料厚度和缠绕角度会改变。WCM 通过将网格划分成集 合并分别为各集 合分配基于缠绕角度计算的材料特性来处理此问题。WCM 创建的单元坐标[60]有切线、法线和环向,如图 11 所示,纤维角度如图 12 所示映射到每个单元。模型的 90°部分根据测试对象实测厚度创建,用卡尺测量死后壁厚。通过绑定相互作用建立衬垫与复合材料的界面。模型中使用 C3D8 单元,它是通用线性砖形单元[61]。主要关注区域是圆柱体,该区域预计无弯曲或大应变梯度。选择整个厚度上的单元数量,以在节省 CPU 和内存资源的同时获得准确结果。由纤维张力 F 产生的纤维方向上复合材料的预应力 σt 通过以下等式计算。
其中 Af 是纤维中所有细丝的组合横截面,vf 是纤维体积分数。确定的应力在环向和轴向方向进行了转换,并用作 C 系列复合材料模型中应力的初始条件。
图13 A系列钢衬里破裂压力试验的模拟及照片
4.2. 钢衬里的有限元分析结果 图 13 描绘了根据冯·米塞斯假设对所分析的衬里几何模型得出的等效应力。可以注意到,在距离焊缝大约 5 厘米处,圆柱部分的应力变得均匀。另一方面,底板中的应力位于不同位置,但它们的值远低于圆柱部分的应力。容器在圆柱体中部受损,断裂呈轴向。基于容器的受损方式,可以得出几何特征的选择和焊接技术的选择是正确的。不需要额外的措施,例如以加热接头的形式,因为测试区域,即圆柱体,表现如预期。4.3. 用标准(3N)和增加(80N)纤维张力缠绕的复合材料容器的有限元分析结果 长丝缠绕过程中的初始纤维张力会产生残余应力,如图 14 所示。仅考虑圆柱部分,钢衬里受到压缩,而复合层处于拉伸状态。当向容器内部施加 70MPa 的内部压力时,与没有纤维张力的 B 系列容器相比,C 系列容器中复合材料在纤维方向上的应力更高(图 15(a)和(b))。当比较由纤维方向上的应力产生的应力作用与拉伸强度时,C 系列容器的应力作用低于 B 系列容器(图 15(c)和(d)),这主要是由于具有更高纤维体积分数的复合材料中拉伸强度的增加。对于两种类型的容器,70MPa 的内部压力都会导致衬里的塑性变形,但 C 系列容器的塑性等效应力较低(图 15(e)和(f))。在内部压力为 10MPa 时,对钢衬里线性弹性区域的应力分布进行了分析,如图 16 所示。A 系列获得了最高的应力值。一个有趣的结果是 C 系列衬里的环向应力较低。B 系列和 C 系列容器之间衬里环向应力的差异等于 44MPa,这对应于初始纤维张力引入的压缩应力(图 14)。
5.1. 爆破压力 爆破试验的代表性实验结果如图 17 所示,展示了测量的环向应变和轴向应变随压力的函数关系。有限元分析模拟的结果也包含在这些图中。对于 A 系列,在达到 120 巴之前可以观察到线性弹性区域,而对于更高的压力会发生塑性变形和快速损坏。对于 B 系列和 C 系列,可以观察到曲线的双线性特征:在第一个区域中,衬里和复合材料弹性变形,在过渡(屈服)点之后的第二个区域中,可以观察到衬里的塑性变形直至泄漏。所有复合材料容器(B 系列和 C 系列)在圆顶和圆柱体之间的钢衬里焊缝处发生损坏(图 18)。实验中使用的大量应变传感器进行了统计分析,总体结论在下一节中给出。屈服点对于容器设计至关重要,与该点对应的应变和压力值是 B 系列和 C 系列比较的重要方面。
图19 用实验数据拟合双线性函数的一个例子,其中c=为1.05‰,d=为163 bar。
表4c和d系数的统计分析,Manna-Whitney检验。
图20 重量复合材料密度和三角洲的表示增加了重量密度作为压力和纤维体积分数作为纤维张力的函数。
图21比较事件的位置。左图,高度振幅事件(>75 dB),右图,低振幅事件,例如每个系列中的容器
图22。例如B系列和c系列容器的峰值频率。在红色方块中,峰值频率(~200 kHz)表示树脂-纤维界面区域内的事件发生。(为了解释本图例中对颜色的参考资料,读者可以参考本文的网络版本。)
在本研究中,研究了缠绕过程中纤维张力对复合压力容器力学性能的影响。根据制造、模拟和爆破试验的结果,可以得出以下结论: 1. 选择 54◦的缠绕角度是由于其最优性,这在[64-67]中通过分析和实验得到了证明。 2. 在本研究中,由于材料的线性性质,使用了钢衬。钢质封头能够传递高压值,并保证与凸台稳定连接。研究区域是容器的圆柱形部分。在钢衬中,圆柱形部分以同样的方式变形,A 系列试验证实了在圆柱体的每个点变形相似。材料的线性模型允许对获得的结果进行更详细的分析。可以确定其他因素的影响,钢衬厚度的变化与线性模型的方向性系数的影响有关。作者在前一篇出版物[54]中对聚合物衬里进行了研究,其中已经证明了出现的非线性问题和结构缺陷。3. 在复合容器生产中,正常纤维张力为 10N。该出版物的作者和其他[68]先前的研究表明,使用更高的张力值可能对制造容器的强度产生积极影响。4. 同时,增加纤维张力的使用给制造过程本身带来了挑战。使用更高的纤维张力促进了纤维的降解,在过程中以及在压力容器表面都可以看到纤维磨损。此外,增加的纤维张力提高了纤维铺设过程中的敏感性,这可能导致纤维从封头上指定路径滑落的风险增加。 5. 在爆破试验期间进行了周向和轴向应变的测量。分析区分出了一个线性区域、一个屈服点和衬里的塑性变形区域。对该点的统计识别及其静态处理允许确定以下屈服值:对于 3N 和 80N 的张力,分别为 170N 和 205N。6. 使用一步均匀化方法(规则六边形单元,周期性边界条件[69-73])使得能够为单向复合材料获得正交各向同性均质材料模型。为了更准确的研究,应该考虑“第二步”均匀化,包括镶嵌图案的微观模型。7. 所应用的数值分析允许验证具有张力的复合材料的预应力确定值。8. 建模表明,容器将在焊接区域发生损坏。图 15 显示了集中在焊接区域的塑性变形区域。9. 如预期的那样,纤维张力参数增加了纤维体积分数以及重量效率,但必须进行进一步的研究以假设纤维张力和纤维体积分数之间的定量相关性。10. 对于具有高纤维张力(80N)的容器,声发射在中心区域显示出更多的高振幅事件。从频率响应分析我们可以得出结论,与低纤维张力(3N)相比,对于用高纤维张力(80N)缠绕的容器,在纤维-树脂界面处发生的缺陷更多。
使用增加的纤维张力对复合压力容器的工作压力弹性线性范围有影响。它增加了公称压力并具有积极的经济效益。提高的纤维张力导致复合材料中的纤维体积分数增加(从 45%增加到 63%),在材料厚度更薄的情况下改善了力学性能。在超轻复合结构和氢基交通的时代,优化复合压力容器的制造参数是一个战略目标。在测试结构中,通过在钢衬中也引入压缩应力,同时将复合材料层的厚度从 4.75 毫米减少到 3.51 毫米,有可能将线性范围从 170 巴增加到 205 巴。已经证明,在复合压力。