复合材料高压气瓶设计、监测及失效模式的研究进展

Research Progress on Design, Monitoring and Failure Modes of Composite High-Pressure Gas Cylinders

摘要

复合材料高压气瓶具有轻质高强、可设计性好、耐腐蚀、承压能力好等特点，广泛应用于航天、航海、汽车制造等行业。文章对国内外复合材料高压气瓶的设计优化、在线监测和失效模式的研究进展进行了综述，设计优化主要基于网格化理论和有限元分析，在线监测主要有声发射、超声导波、电磁超声等方法，失效模式主要是爆破失效和疲劳失效。航天、航海、汽车等领域的持续发展和高需求将促进复合材料高压气瓶的分析计算、设计优化、损伤破坏等方面的研究和创新持续发展。

关键词

复合材料高压气瓶 / 设计优化 / 在线监测 / 失效模式

Key words

Composite high-pressure gas cylinder / optimization design / on-line monitoring / failure mode

高压气瓶是航天、航海、汽车等领域高压系统的关键设备之一，为卫星、舰艇等提供重要的保障和支持^[1]。为了确保卫星、舰艇、汽车总体的可靠性和安全性，提高高压气瓶的工作压力、容积、力学性能等势在必行^[2-3]。

金属高压气瓶多采用回转壳体如球形、柱球形、简形等结构，因为金属材料是各向同性的，球形结构可以充分发挥材料的强度，在容积、压力一定时具有最小的质量^[4-5]。相比金属高压气瓶，复合材料高压气瓶具有可设计性好、结构质量轻、压力容限高、失效模式安全、可靠性高、耐腐蚀、耐疲劳、负载工作时间长、爆破前先泄露的疲劳失效模式等优点^[6-8]。

纤维增强树脂基复合材料高压气瓶是纤维材料在非金属或者金属内胆上缠绕制备而成，内胆一般是不锈钢、钛合金或铝合金等，纤维材料一般是玻璃纤维或碳纤维，通过树脂复合制备成高压气瓶^[9-10]。复合材料高压气瓶在服役过程中，纤维是承载介质压力的主要载体^[11-13]。因此，采用超薄金属内胆和高强纤维增强树脂基复合材料是目前全球制备先进复合材料高压气瓶的重要方向^[14-15]。

在高压作用下，复合材料高压气瓶的力学特性极其复杂，金属内胆表现为几何非线性和材料非线性特性，外层纤维增强树脂基复合材料表现为各向异性和非均质性特性，纤维的缠绕角度、铺层方式、铺层厚度等显著影响着复合材料高压气瓶的性能。在使用过程中，外层纤维增强树脂基复合材料承担了主要内压和外部环境作用，会逐渐出现强度衰减、微裂纹扩展等现象，从而导致气体泄漏等安全问题^[1,16-19]。所以，复合材料高压气瓶的设计优化、在线监测方法和失效模式研究尤为重要^[20]。

本文就国内外研究人员对复合材料高压气瓶的设计优化、在线监测方法和失效模式研究进展进行了综述。优化设计主要是运用理论分析和模拟计算，在线监测方法主要有声发射、超声导波、电磁超声等方法，失效模式主要有爆破失效和疲劳失效。

1 复合材料高压气瓶的设计优化

复合材料高压气瓶的优化设计主要是运用理论分析、模拟计算和试验，在理论分析方面主要运用网格理论，分析计算复合材料高压气瓶的内衬厚度、螺旋纤维和环向纤维厚度及缠绕角等参数；在模拟计算方面主要是采用有限元分析方法，对复合材料高压气瓶进行静力学、稳定性等分析，优化设计方案^[21-24]。

1.1 航天用复合材料高压气瓶的设计优化

针对航天系统对减重和使用环境的特殊要求，复合材料高压气瓶具有广阔的航天应用背景，是空间推进系统的核心部件之一^[25]。航天器的成功发射和正常运行直接依托高压气瓶的可靠性、安全性和质量^26]。因此，对航天用复合材料高压气瓶力学性能、失效模式等的设计优化研究势在必行^[27-28]。复合材料高压气瓶主要是钛/铝内胆碳纤维增强树脂基复合材料高压气瓶^[20,29]。

张天平等^[30]基于网格理论设计了用于卫星推进分系统的复合材料高压氦气瓶的内胆厚度、螺旋和环向纤维厚度、缠绕角等参数，依据有限元法分析了其静力学、稳定性和模态。李玉峰等^[31]分析了卫星用钛内胆/碳纤维复合材料高压气瓶的应力-应变检测和特性。结果表明：利用应变结果可预测气瓶承压能力、破坏位置，为结构设计中优化薄弱点提供数据指导。纤维强度发挥系数受缠绕角影响较大，合理的缠绕角有助于提供均衡的承载力，通过控制缠绕张力可使内衬具有一定的预压应力，有助于提高气瓶疲劳寿命及抗压能力。王晓蕾等^[32]采用聚对苯撑苯并二恶唑(PBO)纤维/环氧树脂制备了空间推进系统用2.4 L铝内胆复合材料高压气瓶，其拉伸强度是1 397 MPa，NOL层间剪切强度是20.2 MPa，结构系数是64.5 km。王晓洁等^[33]对航天用金属内衬碳纤维(T-1000)/环氧树脂基(HS19)复合材料高压气瓶进行了试验设计。结果表明：当缠绕张力从20 N提高到60 N时，纤维发挥强度提高23%。张天平^[34-35]基于空间应用金属内胆复合材料压力容器的研制技术，对比了内胆、复合材料外层性能数据，论述了其工程试验、鉴定试验、验收试验、特殊试验的技术信息。

1.2 船舶用复合材料高压气瓶的设计优化

高压气瓶是舰艇高压系统的关键设备，为舰艇的战斗力和生命力提供保障支持。研制新型大容积、高压力、高安全性的复合材料高压气瓶十分必要^[36-37]。

巩克壮^[38]基于有限元分析，在现役钢质气瓶上环缠碳纤维增强复合材料制备新型船用复合高压气瓶。结果表明：其爆破压力是125 MPa，能经受疲劳试验(0~40 MPa、12 000次填充)不发生破坏，环向应力被复合材料外层有效分担了。章向明等^[37]根据网络理论对船用复合材料高压气瓶进行了外形尺寸和厚度设计。结果表明：爆破压力不低于19.6 MPa，外形尺寸约为Φ400 mm×2 900 mm的钢质高压气瓶的质量是玻璃纤维增强复合材料高压气瓶的11倍，是芳纶纤维增强复合材料高压气瓶的20倍。

1.3 汽车用复合材料高压气瓶的设计优化

随着生态环保和新能源汽车政策的推广，汽车行业面临着加速转型，其中氢能源汽车备受关注^[39]。储氢高压气瓶是供氢系统的关键部件，是氢燃料汽车的核心系统之一^[40]。目前，储氢高压气瓶主要是铝内胆碳纤维增强复合材料高压气瓶^[41]。肖杰立等^[39]根据网格理论、气瓶自紧原理等对汽车用铝内胆碳纤维全缠绕复合材料高压气瓶进行了铺层设计。结合爆破试验数据和有限元分析，结果表明，其爆破强度是110.6 MPa，由于筒身复合材料外层的最内层达到强度极限而失效，纤维应力比是3.22。杨冬林等^[42]针对汽车氢燃料电池复合材料高压储氢瓶存在的问题，提出了复合材料气瓶建模的参数化设计方法，包括材料参数、缠绕模式参数、几何参数和复合层加载参数等进行有限元分析。结果表明：复合材料高压气瓶设计关键点在于圆柱段与内衬材料封头衔接区域的强度设计，这是最易发生疲劳失效的位置。参数化建模为复合材料高压气瓶几何参数、缠绕角度和厚度设计优化提供了有效支持。左惟炜^[43]研究计算了三维编织复合材料车载天然气高压气瓶的屈曲与优化设计问题。吕洪等^[2]应用计算流体力学方法对70 MPa的燃料电池汽车车载高压Ⅳ型复合材料储氢瓶进行整体与局部耐火烧性能的数值仿真研究。结果表明：在油池火灾中，气瓶中间高度靠上方、头尾两端的圆肩部位最有可能先发生失效；瓶内氢气的温度分布对内胆的温度影响不显著。

2 复合材料高压气瓶的在线监测

复合材料高压气瓶在使用和运输过程中，纤维容易出现微裂纹、划伤、断裂等破坏，严重影响其使用安全，因此及时监测必不可少，复合材料高压气瓶的在线监测技术亟待发展^[44]。高压气瓶的传统无损检测技术有磁粉检测、射线检测、光纤检测、渗透检测、涡流检测等，这些检测技术是耗时的点对点检测，难以实现原位检测^[1]。针对复合材料高压气瓶的在线监测技术包括有声发射、超声导波、电磁超声换能器等，可实现在线无损监测。其中有声发射技术难以判断损伤的大小并得到定量结论，超声导波技术损伤定位精度好^[1]。

孟凌霄等^[44]采用金属贴膜式电磁超声换能器在线监测方法研究了在不同疲劳状态下有纤维损伤的复合材料高压气瓶的导波信号特征。结果表明：纤维损伤程度增大时，透射波幅值降低；内压增加时，导波信号中心频率和声速减小；在110 MPa下循环80次后，1 mm深的裂纹的声速降低了6.6%，中心频率由0.24 MHz降低到0.17 MHz，缺陷波幅值从19.33 mV降低到8.02 mV；在内压105 MPa下，0.5 mm深的裂纹的直达波幅值是20.08 mV，降低了75%。程伟等^[45]通过声发射方法在线监测循环载荷作用后的复合材料气瓶升压-保压过程。结果表明：声发射监测数据如定位信息、能量、计数等，是准确判断复合材料气瓶损伤位置、时间、方式的有效信息，并结合相控阵超声检测、目视检查、渗透检测进行了验证。杨斌等^[46-48]基于超声导波的压力容器健康监测研究有三部分。第一部分是超声导波的传播行为及损伤定位方法。结果表明：在压力容器中超声导波很少发生边界反射，产生多模态传播，循环传播至能量衰减耗尽；降噪和滤波处理可提高缺陷的定位精度。第二部分是影响损伤定位精度的因素研究。结果表明：特定阵列形式的缺陷定位精度最高；特定激发频率时，压力容器封头算法的有效比率高、定位误差小。第三部分是健康监测技术应用研究。结果表明：疲劳试验周次增加时，导波幅值减小，而应变片能持续记录并反映压力容器的应变状态。对经过5 700周疲劳和未经过疲劳的纤维缠绕压力容器，导波幅值随着其内部压力的增加而线性下降，而应变值随着压力的增加线性增加，二者的对应关系可用于判定纤维缠绕压力容器的受压状态。

3 复合材料高压气瓶的失效模式

复合材料高压气瓶主要有爆破失效和疲劳失效两种模式。爆破失效爆破前先泄漏，失效模式是灾难性的，此模式下复合材料外层的抗爆破能力就尤为关键；疲劳失效考验内胆抗疲劳能力，是关键性的失效模式。图1为复合材料高压气瓶失效模式^[1]。

顾森东等^[1]根据复合材料层合板理论和各向同性材料弹塑性理论，建立有限元分析模型，模拟计算了卫星用超薄钛内衬T1000碳纤维增强复合材料高压气瓶在各承压工况下的力学特性。结果表明：内压大于工作压力时，内衬是塑性变形和弹性变形并存，外层复合材料是弹性变形，气瓶是轴向变形占主导，封头与筒体的衔接区域是爆破失效薄弱区域。李玉峰等^[49]采用ANSYS薄壁壳单元模拟卫星推进系统复合材料高压气瓶的多层结构模型(环向缠绕层和螺旋缠绕层)。结果表明：复合材料外层破坏由树脂开裂、复合外层受损、应力断裂等导致，并提出基于复合外层单层结构判定理论的爆破失效验证方法，为降低失效概率提供数据依据。王祥龙等^[50]基于应力-强度干涉法和Coffin-Manson公式对航天器用复合材料高压气瓶的可靠性进行分析。结果表明：复合材料高压气瓶的疲劳寿命受内胆影响，承压能力由复合材料外层决定。

4 结论

国内外文献基于网格理论和有限元分析的复合材料高压气瓶的模型计算和设计优化研究为其减重、提高压力容限、延长使用寿命等奠定了数据和理论基础；有声发射、超声导波、电磁超声换能器等技术研究为复合材料高压气瓶的在线监测提供了有效途径，保证其使用过程中的安全性和可靠性；爆破失效和疲劳失效模式的研究为降低复合材料高压气瓶的失效概率，提高其使用寿命提供数据和理论支持。然，而航天、航海、汽车等领域在持续发展，促进高压气瓶在可靠性、压力容限、储存寿命等方面的高需求和不断进步，由此关于高压气瓶的分析计算、设计优化、损伤破坏的持续研究和创新势在必行。未来，可在以下几方面加强研究：(1)内胆与复合材料外层分离破坏是复合材料高压气瓶失效的主要原因之一，改善树脂浸润性和内胆与复合材料外层之间涂层的性能尤为重要。(2)复合材料高压气瓶的物理化学性能复杂，需综合理论、模拟、试验等去优化设计，促进其轻量化和长使用寿命的研究发展。

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基金资助

山西省自然科学基金青年基金项目(202203021212144)