复材压力容器试验研究

本研究试验的目的，试图找到提高 COPV- composite over wrapped  pressure vesse（复合材料包覆压力容器）爆裂强度的最佳设计方案。在此背景下，本工作研究了碳纤维（T800S）、缠绕角度、层数和层数对 IV 型 COPV 爆裂强度的影响。采用最大应力、最大应变、损伤失效准则来确定 COPV 的爆破强度。采用数字图像相关技术对纤维的破坏应变进行了量化。将预测结果与试验结果进行了比较。

材料模型和失效标准

有限元模型中使用的力学性能如表 1 所示。

为了使用 ABAQUS 计算 COPV 的爆破压力，必须定义失效标准。该分析的失效标准为最大应力、最大应变。由于这些标准是众所周知的，这里不给出标准的详细描述。这五个失效标准用于比较 结果。对于处于压力载荷下的 COPV，假设损伤的失效模式由纤维失效主导。除了损伤起始准则外，还使用了基于能量的损伤演化准则来表征材料的渐进损伤。一旦某个元素满足了临界能量标准，就将其从模拟中删除。内部压力以较小的载荷增量逐渐施加，并观察失效指数。当失效指数大于 1 时，施加的载荷被视为 COPV 失效的压力。

有限元模型

复合外包装压力容器模型是在没有内衬的情况下创建的，并使用 WCM 模块由 T800S 碳/环氧预浸料完全外包装。该分析中使用的复合材料层的弹性性能如表 1 所示。利用 ABAQUS 软件，采用有限元法对结构进行了静力建模。在所有情况下都考虑了非线性几何，因为预计会出现大的不平衡变形。ASTM D 2585 COPV 几何形状、衬垫和制造的 COPV 的几何形状分别如图 1、图 2 和图 3 所示。

ASTM D25851968 年版，1968 年-纤维缠绕压力容器的制备和拉伸试验的标准试验方法

图 1. ASTM D 2585 COPV 的几何形状

图 2. ASTM D 2585 内衬的几何形状

图 3. ASTM D 2585 制造的 COPV 的几何形状

COPV 的包裹层

每个极性缠绕层由 2 层组成，而每个环向层由 1 层组成。COPV叠层由 5 个基本层组成。（图 4）。这些是：

1层: 0.23  英寸带宽，0.033  英寸厚度和−13°极性绕组。

2层：0.23 英寸带宽，0.033 英寸厚度和 13°极性绕组。

3层：0.23 英寸带宽，0.009 英寸厚度和 88°环向绕组。

4层：0.23  英寸带宽，0.033  英寸厚度和−13°极性绕组。

5层: 0.23 英寸带宽，0.033 英寸厚度和 13°极性绕组。

图 4. 半罐四分之一有限元模型（ASTM D 2585）和复合材料叠层

当纤维在任何层中完全损坏时，在该分析中都会考虑爆裂压力，因此不分析基体损坏来确定 COPV 的爆裂压力。 类似地，计算所有其他情况下的爆破压力。结果汇总如表 2 所示。考虑了 11 种情况，以发现极角和环向角以及分层顺序对爆破压力的影响。极角和环向角绕组如图 16 所示。螺旋缠绕角在本研究中被称为环向角。在情况 1-4 中，环向角在 87.5°至 89°之间变化，保持极角（13°）不变。有限的环向角范围（87–89°）是根据灯丝的风力能力考虑的。爆破压力随环向角的变化如图 17 所示。研究发现，爆破压力随环向角的增大而增大。随着环向角的增加，COPV 的切向环向应力阻力增加，因此爆破压力增加，这是合理的。

COPV 试验件制备

COPV 是使用长丝缠绕机制造的。制备步骤为：

（i）制造心轴的模具

（ii）制造心轴，

（iii）用聚四氟乙烯带包裹心轴，

（iv）使用心轴几何形状对细丝缠绕机进行编程，

（v）使 用 TCR Composites 提 供 的 T800S-10E- 24K/UF3323 丝束预浸料对 COPV 进行细丝缠绕，

（vi）在 350°F 下固化 24 小时，

（vii）移除水溶性芯轴

（viii）安装端部法兰

（ix）安装应变仪

（x）连接的 COPV 和爆裂试验室中的压力控制器管

（xi）安装数字图像相关系统（DIC- digital image correlation）

（xii）逐渐增加压力，直到 COPV 失效。COPV 灯丝缠绕过程的照片如图 20 所示。

图 20. COPV 在灯长丝缠绕机中的缠绕过程

爆破压力水压试验

测试在丙烯酸墙隔间中进行，使用从顶部支撑 COPV 的测试夹具。使用 TESCOM ER5000 压力控制器将高压水和氮气注入 COPV

（图 21）。压力逐渐增加 20 磅/平方英寸，直至爆裂。试验箱如图 22所示：

Fig. 21. TESCOM ER5000.

图 23. 爆破试验失败区域

测试结果-压力测量

进行了几次测试，测试结果和预测结果如表 2 所示。从结果的比较中发现，预测的爆破压力在测试结果的 5%以内。失效区和失效的 COPV 分别如图 23 和图 24 所示。通过对失效的 COPV 的观察，发现 COPV 在环向区域由于纤维的局部拉伸或剪切而失效。有限元预测的失效区也在环箍区域。极性纤维不会出现任何类型的过早失效或损坏。复合材料在环箍区域的张力区出现粘结失效。进行了三次爆破试验，爆破试验数据如图 25 所示。

图 24. 突发测试失效 COPV

图 25. 爆破压力

   结论   

本研究旨在优化 ASTM D2585 COPV IV 型聚合物内衬复合材料外包装压力容器的设计。本研究使用了碳纤维预浸纱（T800S-10E- 24K）和基材树脂 TCR UF3323。研究发现：

（i）在大多数情况下，在圆柱形（环箍）区域观察到拉伸失效。

（ii）从最大应力和应变准则获得的爆破压力更保守（更少）， 而从 Hashin 损伤准则获得的则更自由。

（iii）爆裂压力对复合材料层厚度和缠绕角度非常敏感。

（iv）爆破压力随环向角和极角的增大而增大。

（v）在爆裂测试期间，就在应变变为非线性之前，观察到的最高应变为 1.63%。

其它研究得出的结论

• 之前的研究表明，衬垫可以减少加压过程中的应力发展。
• 当受到工作压力时，容器头部出现基体裂纹损伤，而圆柱体中部出现纤维拉伸损伤。自应力对应力幅值的影响很小，但对平均应力的影响很大。
• 有限元分析预测复合材料压力容器具有较高的应力承载能力。
• 分析表明，对于一定的叠层结构，压力容器的厚度取决于纤维取材料类型。与不锈钢压力容器相比，复合材料压力容器具有更高的重量节省。有限元解与解析解吻合较好。
• 他们预测爆裂压力是各种纤维方位角的函数。他们得出的结论是，在所有分析的纤维取向角中，±45°的取向角是最佳的。
• 低爆裂压力、低弯曲刚度和低抗冲击性是 COPV 的尖锐问题。

END

注：本文根据《 Design and development of a filament wound composite overwrapped pressure vessel 》 2020.10.重新编辑、整理。

杨超凡 2023.9.5