纏繞氣瓶自緊壓力分析與纏繞層表面損傷安全評估
摘要
玻璃纖維纏繞氣瓶在日常生產(chǎn)和生活中應(yīng)用廣泛。纏繞氣瓶的自緊工藝對于充分利用其纏繞層優(yōu)良的力學(xué)性能起到了關(guān)鍵作用。運(yùn)用有限元分析方法,通過對多種型號的纏繞氣瓶自緊壓力的模擬,建立自緊壓力與氣瓶強(qiáng)度的曲線關(guān)系,并得到不同型號的纏繞氣瓶的自緊壓力。同時(shí),氣瓶在使用過程中不可避免會(huì)受到撞擊、磕碰,從而在纏繞層上產(chǎn)生環(huán)向缺陷。針對氣瓶的環(huán)向缺陷,本文通過帶多個(gè)環(huán)向缺陷的氣瓶與完整氣瓶的疲勞壽命與強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果的對比,分析了環(huán)向缺陷對各種型號氣瓶的整體強(qiáng)度和安全性能的影響。
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前言
車用玻璃纖維環(huán)向纏繞氣瓶是我國使用量巨大,生產(chǎn)廠家眾多的一種氣瓶,其原理為由金屬內(nèi)膽承受部分環(huán)向及全部的縱向載荷,外部纏繞層承受剩余的環(huán)向載荷。在氣瓶的使用過程中,要經(jīng)歷多次的加壓和卸壓過程,是典型的疲勞循環(huán)加載過程,此過程萌生的疲勞裂紋沿著瓶壁擴(kuò)展,導(dǎo)致氣瓶出現(xiàn)破裂泄漏的失效現(xiàn)象,預(yù)測纏繞氣瓶的疲勞壽命具有重要的意義。此外,由于纏繞層與內(nèi)膽的力學(xué)性能不同,當(dāng)纏繞層的緊度不足時(shí),會(huì)出現(xiàn)金屬內(nèi)膽已經(jīng)處于屈服狀態(tài),但纏繞層還處于低應(yīng)力狀態(tài)的現(xiàn)象,這就不能發(fā)揮纏繞層優(yōu)良的強(qiáng)度性能。為了防止這種現(xiàn)象的產(chǎn)生,氣瓶在使用前會(huì)進(jìn)行適當(dāng)?shù)募觾?nèi)壓處理,在壓力卸載后,內(nèi)膽塑性區(qū)會(huì)產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力,彈性區(qū)則會(huì)產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力,這樣就可以提高氣瓶的疲勞壽命,也可以體現(xiàn)纏繞層的高強(qiáng)度性能,這種工藝叫作纏繞氣瓶的自緊工藝,施加的內(nèi)壓稱為自緊壓力。
由于市場上纏繞氣瓶的規(guī)格眾多,不同型號的 氣瓶的自緊壓力也不同,如果使用同樣的自緊壓力,往往發(fā)揮不出纏繞層優(yōu)良的高強(qiáng)度性能。劉培啟等通過對各種標(biāo)準(zhǔn)的纏繞氣瓶壁厚的設(shè)計(jì)方法的對比,分析了壁厚不同的纏繞氣瓶的自緊壓力的合理范圍。謝志剛等探究了纏繞氣瓶的爆破機(jī) 理,并對氣瓶的自緊壓力進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。目前,國內(nèi)纏繞氣瓶的設(shè)計(jì)與驗(yàn)收主要參照GB24160 —2009標(biāo)準(zhǔn)。本文通過對不同型號的纏繞氣瓶的有限元分析計(jì)算,建立了自緊壓力和氣瓶強(qiáng)度的曲線關(guān)系,得到了不同型號的纏繞氣瓶的自緊壓力。
纖維復(fù)合材料具有良好的力學(xué)性能,但是表面硬度低,易劃傷,耐磨性差。在復(fù)合材料纏繞氣瓶的使用過程中,會(huì)發(fā)生摩擦、撞擊等情況使得纏繞層造成損傷?,F(xiàn)階段對于復(fù)合氣瓶表面損傷的限尺寸 ,GB24162-2009 標(biāo)準(zhǔn)做出了較為明確的規(guī) 定,由劃傷、磨損等原因造成的表面缺陷的深度不能超過1.25mm 。然而此標(biāo)準(zhǔn)缺乏系統(tǒng)科學(xué)的理論 論證和安全說明,使得很多即使存在缺陷,卻依然可用的氣瓶被判定報(bào)廢。為了論證纏繞氣瓶表面缺陷對氣瓶的強(qiáng)度與疲勞性能造成的損傷,國內(nèi)許多
學(xué)者已經(jīng)對纏繞氣瓶的表面缺陷進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。蔣喜志等對氣瓶表面單個(gè)環(huán)向缺陷進(jìn)行了強(qiáng)度分析。成志鋼認(rèn)為纏繞層主要承受環(huán)向載荷,所以其表面的環(huán)向缺陷對氣瓶的疲勞性能可能沒有太大的影響。本文通過對經(jīng)過自緊壓力處理后,帶多個(gè)深度為1.25mm 的環(huán)向缺陷的纏繞氣瓶 的強(qiáng)度和疲勞壽命進(jìn)行了計(jì)算,分析了環(huán)向缺陷對纏繞氣瓶安全性的影響。
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分析過程
市場上主流的纏繞瓶規(guī)格按氣瓶內(nèi)膽外徑分為三個(gè)不同的系列,分別為φ325mm、φ356mm、φ406mm。根據(jù)某企業(yè)提供的纏繞氣瓶參數(shù),三種規(guī)格氣瓶的工作壓力均為20MPa, 水壓試驗(yàn)壓力為30MPa, 疲勞試驗(yàn)壓力為26MPa。本文對市場上的3種系列的纏繞氣瓶進(jìn)行了自緊壓力的分析,并進(jìn)行安全評估。一般來說,纏繞氣瓶自緊壓力的范圍為1.2~2.0倍工作壓力,因此,本文分析計(jì)算自緊壓力范圍為24~40MPa。 同時(shí),本文分別分析計(jì)算了3個(gè)系列表面帶有多個(gè)環(huán)向缺陷的氣瓶,其內(nèi)襯以及纏繞層在20MPa 工作壓力應(yīng)力分布,并根據(jù)新的應(yīng)力幅值-循環(huán)次數(shù)曲線,對含有環(huán)向缺陷與完整車用纏繞瓶的疲勞壽命計(jì)算。本文在所有分析過程中假設(shè)纏繞纖維已經(jīng)處于拉緊的狀態(tài)。
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氣瓶參數(shù)、模型及分析步驟
3.1 設(shè)計(jì)參數(shù)
車用纏繞氣瓶的設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。
3.2 材料參數(shù)
車用纏繞氣瓶的內(nèi)膽材料為30CrMo, 纏繞層為158B 450玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料,其基本材料參數(shù)與纏繞層復(fù)合材料的彈性參數(shù)分別如表3與4所示。
3.3 分析步驟
采用ANSYS 軟件進(jìn)行有限元分析,氣瓶內(nèi)襯采用Solid95單元,纏繞層采用Solid46單元。其中Solid95單元支持塑性和大變形等非線性行為;Solid46是一種各向異性的3D 實(shí)體單元,支持塑性和大變形等非線性行為。
根據(jù)纏繞氣瓶的具體結(jié)構(gòu),建立帶多個(gè)環(huán)向缺陷的氣瓶有限元模型,如圖2所示,氣瓶上的環(huán)向缺陷如圖3所示。
以φ325mm系列的纏繞氣瓶為例,某企業(yè)提供 的氣瓶水壓爆破試驗(yàn)壓力為59MPa, 破口位置如圖4所示。
0MPa→ 自 緊 壓力→0MPa→20MPa→26MPa→30MPa→59MPa。先施加自緊壓力,之后卸載至0MPa, 再加載到工 作壓力20MPa, 然后加載至疲勞試驗(yàn)壓力26MPa, 接著加壓至水壓試驗(yàn)壓力30MPa, 后施加 59MPa的爆破壓力。
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數(shù)據(jù)分析與討論
經(jīng)過24~40MPa 的自緊壓力處理后,工作壓力,3種系列的纏繞氣瓶大Mises 應(yīng)力與自緊壓力變化的曲線關(guān)系如圖5所示。由圖可知, φ325mm系列的氣瓶經(jīng)過34MPa自緊壓力處理后, 內(nèi)襯在工作壓力下的Mises 應(yīng)力小,同樣φ356mm與φ406mm系列的氣瓶分別經(jīng)過34MPa與36MPa的自緊壓力處理后,內(nèi)襯在工作壓力下的Mises應(yīng)力小。
根據(jù)有限元的計(jì)算結(jié)果,各系列氣瓶的纖維應(yīng)力比如圖6所示。由圖可知,經(jīng)過31~38MPa的自緊壓力處理后,氣瓶的所有計(jì)算結(jié)果均能滿足GB 24160—2009標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定,即纖維應(yīng)力(小設(shè)計(jì)爆破壓力下纖維應(yīng)力與工作壓力下纖維應(yīng)力之比)比不能小于2.75。
按照GB 24160—2009 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,纏繞氣瓶的疲勞壽命必須大于15000次。標(biāo)準(zhǔn)同樣規(guī)定纏繞氣瓶的疲勞壽命次數(shù)的計(jì)算,要求在不大于2~26MPa的循環(huán)壓力下進(jìn)行,但是考慮到試驗(yàn)的實(shí)際情況,試驗(yàn)機(jī)無法穩(wěn)定2MPa的循環(huán)壓力,所以疲勞分析時(shí)采用0~26MPa 的循環(huán)載荷。本文采用陳璐啟等通過氣瓶疲勞試驗(yàn)得出的新疲勞壽命曲線 來計(jì)算氣瓶的疲勞壽命7。由表5可知,φ325mm系列的氣瓶經(jīng)過34MPa自緊壓力處理后的疲勞壽命為18649次;φ356mm系列的氣瓶經(jīng)過34MPa自緊壓力處理后的疲勞壽命為20740次;φ406mm系列的氣瓶經(jīng)過36MPa自緊壓力處理后的疲勞壽命為21439次,均達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的不小于15000次的要求。
綜上所述,φ325mm 系列的氣瓶的自緊壓力為34MPa 、φ356mm系列的氣瓶的自緊壓力為34MPa 、φ406mm 系列的氣瓶的自緊壓力為36MPa。
因?yàn)槊糠N型號的氣瓶壁厚不同,可能會(huì)對 自緊力的選擇產(chǎn)生影響,所以本文采用D/t, 瓶內(nèi)襯外徑與其壁厚的關(guān)系,來代替以直徑表示的氣瓶型號,由此得到的自緊力與 D/t的曲線, 在設(shè)計(jì)中更具實(shí)用性。本文通過有限元計(jì)算的纏繞氣瓶自緊壓力與D/t 的關(guān)系如圖7所示。如圖可知,在合理的設(shè)計(jì)范圍內(nèi),氣瓶的自緊壓力與其D/t 正比。
在各系列纏繞氣瓶的自緊壓力處理過后,在工作壓力,氣瓶的內(nèi)襯以及纏繞層的Mises 應(yīng)力云圖如圖8、圖9與圖,10所示。由圖可知,φ325mm系列與φ356mm 系列的氣瓶在工作壓力下φ406mm系列的氣瓶內(nèi)襯與纏繞層 Mises應(yīng)力云圖經(jīng)過自緊壓力處理過后,在工作壓力與試 驗(yàn)壓力下,帶有多條環(huán)向缺陷的各系列的纏繞氣瓶的內(nèi)襯與纏繞層的 Mises應(yīng)力云圖如圖11、圖12 與圖13所示。
根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果,帶缺陷的各系列的纏繞氣瓶的應(yīng)力云圖與表面完好的該系列的纏繞氣瓶的應(yīng)力云圖相比,纏繞層的環(huán)向缺陷處的應(yīng)力顯著增大,是氣瓶實(shí)際使用中危險(xiǎn)的位置,但是未損傷的纏繞層處的應(yīng)力沒有太大的變化,氣瓶的內(nèi)襯的 Mises應(yīng)力略有增大。根據(jù)疲勞試驗(yàn)壓力下的模擬結(jié)果,3個(gè)系列氣瓶的疲勞壽命分別為17512次,20027次與20380次。顯然,3個(gè)系列氣瓶的疲勞壽命都略有下降,氣瓶表面的環(huán)向缺陷的產(chǎn)生減少氣瓶的疲勞壽命。
在環(huán)向缺陷位置,以φ406mm系列的氣瓶為例,沿著氣瓶壁厚方向的將 Mises 應(yīng)力線性化,其局部薄膜應(yīng)力從未帶缺陷的322MPa 增加至335MPa, 局部薄膜應(yīng)力加彎曲應(yīng)力從323MPa 增 加至339MPa, 應(yīng)力梯度從未帶缺陷的2MPa增加至4MPa。從應(yīng)力線性化的結(jié)果可知,帶有多個(gè)環(huán)向缺陷的纏繞氣瓶的應(yīng)力水平與其壁厚方向的應(yīng)力梯度略有增加??梢哉J(rèn)為纏繞層上的多個(gè)環(huán)向缺陷導(dǎo)致氣瓶的強(qiáng)度降低,降低了氣瓶的安全性。
根據(jù)文獻(xiàn)采用的方法,取環(huán)向纖維的斷裂應(yīng)變?yōu)?.0255。經(jīng)過有限元計(jì)算3個(gè)系列的帶有多個(gè)環(huán)向缺陷的纏繞氣瓶的限爆破壓力為 46.58MPa、45.82MPa、44.67MPa,而 3個(gè)系列纏繞氣瓶的小設(shè)計(jì)爆破壓力都為50MPa。根據(jù) GB24160—2009中提出,水壓爆破壓力不低于85%的小設(shè)計(jì)爆破壓力的規(guī)定,3個(gè)系列在帶有多個(gè)1.25mm深的環(huán)向缺陷時(shí),限爆破壓力還是達(dá)到了GB 24160-2009的要求。
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結(jié)論
針對表面理想的纏繞氣瓶,本文采用ansys 數(shù)值模擬的方法進(jìn)行了3種系列纏繞氣瓶的自緊壓力分析,并對3個(gè)系列的帶有多個(gè)環(huán)向缺陷的纏繞氣瓶進(jìn)行了疲勞壽命與強(qiáng)度分析,并與理想的纏繞氣瓶的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對比分析。通過上述研究結(jié)果,可以得到以下結(jié)論:
(1)經(jīng)過對3種系列纏繞氣瓶的纖維應(yīng)力比計(jì)算,疲勞壽命計(jì)算,得到φ325mm 系列的氣瓶的自緊壓力為34MPa 、φ356mm系列的氣瓶的自緊壓力為34MPa、φ406mm 系列的氣瓶的自緊壓力為36MPa
(2)在合理的設(shè)計(jì)范圍內(nèi),考慮壁厚對氣瓶自緊力的影響,氣瓶自緊力與氣瓶 D/t 成正比。
(3)根據(jù)3個(gè)系列的氣瓶的有限元計(jì)算結(jié)果,3個(gè)系列氣瓶的疲勞壽命都略有減少,并且應(yīng)力水平與其厚度方向的應(yīng)力梯度都略有增加,可以認(rèn)為纏繞層上的多個(gè)環(huán)向缺陷導(dǎo)致氣瓶的強(qiáng)度降低,降低了氣瓶的安全性。根據(jù)限爆破壓力的計(jì)算結(jié)果,帶有多個(gè)1.25mm 深的環(huán)向缺陷的氣瓶還是能滿足GB 24160—2009的規(guī)定。