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1、玻 璃 钢 复 合 材 料 复合材料天然气气 瓶预紧压 力的研究 黄再满 蒋鞠慧 薛忠民黄毓圣(北京玻璃钢研究设计院1 0 2 1 0 1)摘要：本文针对铝内衬垒缠绕复夸材料天然气气瓶，应甩 A L G O R F E A S有限元分析 系统进行了气瓶材料的弹塑一巨历程分 析，设计 了气瓶的顸 紧压力。采甩轴对称的应 力 应变关系时 气瓶叠属 内衬、复夸材料进 行 了应力 分析。确定 了气瓶 的应力分 布 状 态。研 究表明，通过顸 紧压 力设 计，降低 了铝 内衬工作 状态下的最太拉 应力，实现 了提 高复合 材料 气瓶 疲 劳寿命的 目的 美蕾词：复合材料天然气气瓶顸 紧压 力 1 前言
2、国际上，汽车用压缩天然气气瓶有四类：第一类 是金属气瓶；第二类是环缠复合材料气瓶；第三类是 全缠复合材料气瓶；第 四类则是全复合材料气瓶。其中第二、第三类气瓶具有最优的价格性能比，因此 在国内外应用广泛。这两类气瓶在工作压力状态 下，由金属内衬和复合材料共同分担压缩天然气产 生的内压载荷。但由于金属内衬材料的弹性模量比 玻璃纤维增强复合材料 的纵 向弹性模量还大，因此，如果不对复合 材料气瓶进行 预紧压 力设计，那 么铝 内衬的工作应力将比复合材料的工作应力还要大。这样将严重影响复合材料气瓶的疲劳寿命。本文以 铝内衬全缠玻纤的4 0 L复合材料天然气气瓶为例，开展了复合材料气瓶的预紧压力研究。
3、采用 弹塑性 有限元法，对复合材料气瓶进行了预紧压力分析，确 定了气瓶材料在预紧压力实施过程的应力状态，对 比 分析了复合材料气瓶在进行预紧压力设计前后，工作压力条件下的应力状态。2 数值实验分析方法 有限元法是一种有效解决复杂工程问题近似解 的数值计算方法。它将连续的求解域离散为一组有 限个单元的组合体，这样的组合体能解析地模拟或 逼近求解区域。由于单元能够按不同的方式组合在 一起，且单元本身又可以有不同的形状，因此可以模 型化几何形状复杂的求解域。这样就将一个连续的 无限自由度问题变成了离散的有限节点值的求解问 题，单元内则通常采用各单元节点上的数值用近似 函数插值。随着计算机设备的高速发
4、展和普及，有限元法 得到了相 当普遍 的应用。很 多复杂 的工程问题现在 都可以采用有限元法来求解。商品化的程序也非常 多。包括有 A B AQUS、A D I NA、AL GO R、A NS YS、A S-KA、C OS MOS、DI AL、DYTRAN、MAGI C S、MARC、N A S T R A N、S MA R T等等，在进行有限元分析时，基 本无须编写有限元程序，但必须注意模型的简化、有 限元离散以及边界条件的确定等问题。如当场函数 在某一区域变化比较剧烈时，则可以将该区域 的单 元剖分得密一点；当场函数在另一区域 的变化比较 平缓时，则可以将该区域的单元剖分得疏一些 由 于实
5、际的物理量在连续介质中是连续变化的，因此 单元剖分由密到疏应遵循协调、渐变的原则。由于 在每个单元里，物理量常采用多项式逼近，所以应避 免使用严重影响计算精度、甚至导致奇异解的狭长 单元和带尖角的单元。有限元结构分析程序按求解 问题 的性质 可分为 静力分析、动力分析、稳定分析和温度场分析；按分 析模型和变形 大小可分为线 弹性分 析、非线弹性分 析、塑性分析以及粘弹性、蠕变、大变形分析等 正 确选择和使用有限元分析程度可成功地解决各类复 杂问题。本文所使用的数值试验分析工具为通用有限元 分析软件 A L GO R F E A S。AL GO R F E AS软件 系统 是世界 各工业领域应
6、用广泛 的通用结 构有 限元软 件。它有着广泛的模拟功能，拥有大量的不同种类 的有限元公式、材料模型与分析过程等。主要用于 解决各类结构受各类载荷作用的动力学和静力学强 度和刚度问题，被广泛应用于世界上许多国家的航 空航天、汽车、造船、建筑等行业。AL G OR F E A S是美国 AL G OR公司发展起来的 大型有限元分析系统。自 1 9 8 4年面向 P C机引人有 限元概念，1 9 8 5年与 C A D系统形成交互界面以来，经过不断的发展和完善，A L G O R已经成为功能强大 的新一代计算机辅助工程前后处理系统，成为工程 软件领域内的先导者之一。3 工程实例分析 3 1 有限元
7、法分析的内容 在工作条件下，复合材料气瓶的铝内衬和复合 维普资讯 http:/ 复合材料 天然气气瓶顸 紧压力的研 究 2 0 0 1 年 9月 材料共同分担内压载荷。内衬材料的工作应力水平 是影响复合材料气瓶疲劳寿命的关键因素之一。因 此为 了使 内衬材料获得理想的应力分 布状态，常采 用“预紧压力”处理技 术 即容器在正 常使用 前，在 压力作用过程下，由于内应力不断增加，使金属内衬 足以超过它的屈服点，而产生永久塑性变形，其结果 使得容器在不承受 内压时，内衬 具有 压应力而复合 材料缠绕层具有拉应力。当容器正常运行时，复合 材料气瓶承受内压作用产生的应力与预应力相迭 加，使内壁的最大应
8、力值降低，而外壁处较小的应力 值又适当提高，于是沿壁厚方向的应力分布趋于均 匀化。其设计原理如图 1所示。J 力J 0 1 0 压 0 J。作 力 预紧压力 复合材料 力 一一一一 内衬麻 力 1 r 图 1 预 紧压力设计 原理 有 限元分析 内容 主要包括：通过 轴对称 的应 力一 应变关系对气瓶金属内衬进行了非线性应力分 析；通过轴对称的正交各向异性应力 一应变关系 对复合材料的应力进行了分析；进行 了残余应力 对气瓶工作条件下应力状态的影响分析。3 2 气瓶尺寸和材料性能 气瓶的结构共分两部分。第一部分为 L D 2 铝合 金内衬，第二部分为 E纤维缠绕复合材料。复合材 料 由 3 层
9、环向缠绕和 2 层螺旋缠绕组成。在筒身段 上，环向缠绕层厚度为 6 4 8 ra m，螺旋缠绕层厚度为 4 3 2 ra m，总厚度为 1 0 8 m m。在封头部位，纵向缠绕 层的厚度见表 2。气瓶总重量 3 4 5 K g。气瓶封头曲 线坐标见表 1。内衬的尺寸和材料性能见表 3 复合 材料的性能见表 4。表 1 封 头曲线坐标 表 2 封 头部住纵 向箍绕层厚度 最小壁厚 ram 外直径 ra m 培度 k g m 最小屈服 强度 MF a 最小极 限强度 MP a 弹性模量 GP a 塑性模量 GP a 泊松比 4 0 1 98 0 2 71l 0 3 28 9 3 8 31 0 0
10、5 68 2 0 6 8 0 3 3 表 4 E一玻纤 g氧单向板材料性能 项 目 数 据 纵 向模量 GP a 横向模量 G P a 剪切模量 G P a 泊橙 比 纵向强度?d P a 横向强度 MP a 剪切强度 MP a 4 5 1 7 1 0 l 6 6 1 8 5 0 2 8 0 9 7 9 1 2 1 2 l 1 2 5 3 3 模型简化夏网格剖分 复合材料压缩天然气气瓶的内衬材料为各向同 维普资讯 http:/ 2 0 0 1 年 9月 玻 璃 钢 复 夸 材 料 3 1 性的铝合金材料，缠绕复合材料为正交各向异性材 料，气瓶整体为轴对称结构，对称轴为气瓶的纵向中 心轴。内压载
11、荷也是轴对称载荷，对称轴与气瓶纵 向中心轴重合。因此，在内压载荷作用下的各种分 析，如预紧压力分析、工作条件下气瓶材料的应力状 态分析等，其计算模型均可简化为正交各向异性轴 对称结构。在进行预紧压力分析过程中，采用弹塑 性有限元法，内压载荷从零逐步加载，直到预紧压力 4 0 M P a，然后逐步卸载到零，再逐步加载到工作压力 2 5 M P a，其加载曲线如图3。P D 囤 3 加栽 曲线 田 按照复合材料气瓶的铺层设计，将铝内村沿厚 度方向均匀剖分为3 层各向同性对轴称四边形单元。封头部分的复合材料按 2个纵 向的铺层，剖分为 4层 正交各向异性四边形单元。筒身段按 2 层纵向和 3 层 环
12、向的铺层，剖分为 1 O 层正交各向异性的四边形单 元。在过渡区，按铺层设计将环向单元逐渐减薄到零。在网格剖分中，考虑到过渡区应力变化较为复杂，网格 剖分得较其他位置密一些，整个结构的网格遵循 了协 调渐变的原则。气瓶网格剖分详见图4。囤 5 有 限元 网格 3 4 分析结果讨论(1)预紧压力条件下的应力状态 通过 预紧压力分析，确定 了气瓶材料 在 4 0 MP a 压力下的应力状态，气瓶内衬在筒身段已经进入塑 性状态。气瓶复合材料仍处于弹性状态，其最大应 力为 4 1 4 8 MP a，远小于复合材料的纵 向强度。各个 部位的应力水平见表 5。表 5 预紧压力奈件下的应力状态 MP a 注
13、：表中 左边为铝 内衬 的应力，右边为复合材料的应力。(2)预紧压力卸载后的应力状态 预紧压力卸载后，气瓶内村材料处于压缩状态，筒身段压缩应力处于压缩屈服极限的 7 9 左右。达 到了预紧压力设计的最佳状态。各个部位的应力水 平见表 6。表 6 预I 压力卸栽后的应力状态 MP a 注：表中础为铝内衬的应力，右边为复合材料的应力。(3)预紧压力对工作条件下应力状态的影响 预紧压力处理明显优化 了气瓶工作条件下的应 力分布。未经过预 紧压力处 理的情况 下，最大 v o n M i s e s 应力出现在铝内衬，已经接近屈服应力。经过 预紧压力处理后，铝内村的最大 v o n Mi s e s
14、应力显著 下降，在筒身段和过渡区下降到屈服极 限应 力的 4 0 左右。4 分析结论 从以上的预紧压力分析和工作条件下气瓶材料 的应力状态对 比分析，可得出以下结论：(1)通过预紧压力处理，实现了在零内压条件 下，复合材料气瓶内衬处于其压缩屈服极限应力为 6 09 5 的最佳应力范围；(2)预紧压力处理后，显著降低了工作压力条件 下气瓶内衬材料的应力水平，其最大 v o n M i s e s 应力 由2 4 4 4 MP a 下降到 1 1 7 6 MP a，实现了提高疲劳寿 命的目的；维普资讯 http:/ 3 2 复合材料天然 气气瓶预 紧压力 的研 究 2 O O 1 年 9月 (3)
15、复合材料气瓶材料的最大应力发生在环向 缠绕层，避免了气瓶纵向断裂的爆破形式，符合安全 性要求；(4)由于在铺层设计时，纵 向缠绕考虑了 7 5 的 利用系数，在预紧压力处理后，复合材料气瓶在工作 条件下，其环向应力安全系数 小于 3 5，因此应该采 用有限元法对气瓶的铺层进行进一步的优化。表 7 预 紧压力对if _ 作条件下应力状 态的彰响(单位：MP a)注：表中 左边为铝内村的应力，右边为复台材料的应力 参考文献 l Z H a s h in A a l y s i s o f C o m p o s i t e M a t e r i a l sA S u r e y J A P p
16、1 Me c h，1 9 9 1，5 0(3)：4 8 l 一5 0 5 2 Z H h i n T h e A p h e r i c ul I n c l u s io n Wi t h I m p e r f e c t l n t e r f J A p d M ，1 9 9 l，5 8(2)：4 4 44 4 9 3 J D Ac h e tr b h，H Zh u Ef f e c t o f I n t e rph o n Mi c r o An d M h 日 n B e h a o r o f He x a g o n a l AM y F i b e r Co mp os
17、i t e J A p p I Me e h，1 9 9 0，5 7(4)：9 5 69 6 3 4Tu n g 3,g Ch e n An l n v a r i a nt Tr e a t me m o f I n t e r f a c d a l Di s c o n t tut ti t i 5 6 7 8 9 l O 1l l 2 i n P i e z o e l e c t ri c Me d i a I n t J E n g n g l，1 9 9 3，3 1(7)：I C 61 1 0 7 2 Co mp o s i t e T h WRh Lo a d S h a r
18、i n g Lin e r s Bi x hr W D NASA CR l 20 9 l 8 M 日 r 1 9 7 3 ME E D虮F J P a n te t r l c S t u d y o fG f 丑 丑 皿 t Be n f o mc d Me t a l P r u r e Vs d s N A S A C R-5 4 8 5 5，A p r 1 9 6 6，A e r o j e t Ge n a r a l C o t 9 L a n d R E Gl a s s Fi b e r Re i n f o r c e d Me t a l P r u r e Ve s s
19、e l Di g n Gu l d e NASA CR-1 2 0 91 7 J u l y，1 97 2 L日 n d e B R E F i l a me n t Re i nf o r e d M e t a l Co mp o s i t e Pr e s u r e Ve s s e ls Ev a l u a t io n P e f o 睫 De mo n s t r a t io n NAS A CR l 3 4 9 75 M,K v 1 9 76 S CI I NC B i x l e x W D l r a e t u Co n t r o l Me t h o d F o
20、 r Co mpo s i t e Ta n k s Wl l h L o a d-S h a ri n g L in e NA S A C R-1 3 4 7 5 8，J L 山，1 9 7 5，B o e ing C o 龚挠南、王寿梅 结构分析的非线性有限元素法 1 9 9 6，l l 王勖成 邵敏 有限单元法基车原理和数值方法 1 9 9 7 3 叶天麒、周天孝 航空结掏有眼元分析指南 1 9 6 2 2 AUI FR ETF AGE P RE S S URE RKS F A RCH ON O0 嗍EsNAT URA L GA SVEHI CL E CY LI NDE RS Hu a
21、n g Z alma n J i a n g J u h u i X u e Zh o n g mi n Hu a n g Yu s h e n g (B e r i n g F RP R e s e a r c h D e s i g n I n s t i t u t e)A b s t r a c t：I n t h i s p a p e r，t h e a u t o-f r e t t a g e p r e s s u r e o f t h e a l u mi n u m l i n e r f u l l wr a p c o mp o s i t e n a t u r
22、al g a s c y h n d e r s i s s t u d i e d Th e e l ast i c p l a s t i c p r o c e s s o f t h e c o mp o s i t e c y h n d e r ma t e rials i s s y s t e mi c a l l y a n aly z e d t o d e s i g n t h e a u t o-f r e t t a g e p r e s s u r e b y t h e AL GOR F E AS me t h o d，a n d b a s e d o n
23、t h e a n a l y s i s，t h e s t r e s s d i s t rib u t i o n o f t h e c o m p o s i t e c y h n d e r s i s c o n f i r me d a c c o r d i n g t o t h e s t r e s s a n aly s i s o f t h e me t al l i n e r a n d c o mp o s i t e s a d o p t i n g t h e s y mme t ri c al s t r e s s-s t r ain，wh i
24、 c h s h o ws t h a t t h e a u t o f mna g e p r e s s u r e d esi g n c a i d e c r e a s e t h e ma x i ma l t e n s il e s t r e ss i n t h e wo r k c o n d i t i o n o f alu mi n u m h n e r a n d i n c r e a s e t h e f a t i g u e l i f e o f c o mp o s i t e g as c y h n d e m o lr d s：c o m
25、 p o s i t e m a t e r i a ls n a t u r al g a s c y l in d e r s a u t o f r e t t a g e p r e s s u re 收稿 日期：2 0 0 1 0 7 2 5 (上接第 4 3页)S TU DY OF S CR I MP MOULDI NG T 0I D GY Dan g J i o g l a n Z h u Yi n g d an Wa n g J i h u i (Wu h a n Un i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y)Ab s t r a c t
26、：Th e pa p e r p u t s s t r e s s o n t h e d e s c r i p t i o n o f t h e s e l e c t i o n o f ma t e r i a l s a n d d e s i g n o f r e s i n d i s t rib u t i o n S y s t e m i n S C RI MP an d g i v e s a n e x a mp l e o f d e c k mo u l d i n g b y S C RI MP o lr d s：S C R I MP h i g h pen e t r a t i n g m e d iu m r e s in f l o w in g c h ann d m o u l d i n g e x a m p le 收稿 日期：2 0 0 1 0 72 5 维普资讯 http:/