碳纤维缠绕工艺在压力容器中的应用

碳纤维缠绕工艺在压力容器中的应用

姜昭斌 江婧 刘清霞 宋长琳 尹翠 吕慧敏

威海光威复合材料股份有限公司 264211

摘要：通过采用纤维缠绕技术，制作出的复合材料压力容器，对比金属压力容器，重量大大减轻，因此，让氢气、天然气等原始能源的储存和传送方式发生了变革。本篇文章先行阐述了网格理论如何提供纤维缠绕压力容器外壳设计的解决策略，强调了非测地线缠绕过程在纤维缠绕线型设计进步中的关键地位；对各种缠绕工艺进行对比分析，总结了复合材料压力容器在缠绕层形成工艺、缠绕层品质的研究发展，探讨了纤维缠绕技术在复合材料压力容器中的发展趋势，以及对未来的展望。

关键词：网格理论；非测地线缠绕；压力容器；湿法缠绕；失效分析

前言：由于碳纤维复合材料的高比强度、高比模量以及优秀的耐腐蚀和抗高温性能，其在航空、军事和民用工业中得到广泛运用。但是，我国复合材料压力容器的发展较晚且主要应用于航天和军事领域，其在民用工业上的普及应用相对滞后。近期，因应能源短缺以及清洁能源天然气汽车数量增加，高比强度、高比模量的复合材料压力容器再次受到重视。

一、纤维缠绕层优化设计

压力容器的复合材料研究与纤维缠绕工艺研究有紧密的联系。在二十世纪40年代，美军就已经开始尝试使用高性能的碳纤维来制造压力容器。但是，由于纤维与树脂材料、内衬质料和外形等设计要素，以及生产成本的制约，初期的研究所得到的诸多有益成果在实际的民用商业领域应用时却并未达到预期效果，难以进行大面积推广。这使得更多的科研人员开始将注意力聚焦到纤维缠绕层优化设计上，特别是缠绕角度和缠绕层厚度对压力容器性能影响的系性研究。因此，对于纤维缠绕工艺在压力容器中的网格理论应用及非测地线缠绕线型设计等方面的研究，人们有了更深入的理解和探讨[1]。

（一）非测地线缠绕线形设计研究

基于格网理论的假设，树脂的作用可以置之度外，为了充分展示复合材料的各向异性特性，研究人员正在努力精挑细选合适的纤维和树脂，并按照特定的设计图线进行排列，以扩大纱带在内衬中的覆盖面积。对纤维在模型上缠绕的主要要求是要保持线路的稳定性，避免滑动，而不是使用测地线缠绕方法，后者在一定范围内可以防止线滑动。而非测地线缠绕技术已广泛应用于复合材料压力容器的设计和制造过程中。通过优化分析壳构造并利用非测地线缠绕均匀分布的特性，这是首先需要进行的步骤。

在大多数非测地线纠缠的研究中，一般只对纠缠角度进行调整，而忽视了改变螺旋纠缠角度带来的复合材料层厚的重新配置所产生的影响。并且，由于压力容器的封头部分的两个极孔情况不同，这使得在封头与筒体的过渡区，非测地线纠缠容易引发纤维堆积。通过运用薄膜理论、叠板理论和Tsai-Wu破坏定理对不等极孔球形容器的非测地线纠缠进行研究，并计算了赤道地区纤维层的最小厚度，我们认为通过模拟非测地线在不同切点的非测地线纠缠能够确定最合适的切点。

（二）网格应用理论

我们根据纤维复合材料压力容器的基础设计理论，借助网格理论计算壳体的环向和螺旋是否绕制层的厚度，并进一步对全罩式纤维是否绕制压力容器的爆炸压力进行深入研究和分析。这些成果有助于了解富含全罩式纤维是否绕制特点的压力容器的构造特性。此外，我们还研究了扩展网格理论应用，将网格理论和Tsai-Wu失效理论相结合，以探讨加压过程中可能引发绕制设备包括压力容器等崩溃的关键纤维绕制角度。借助网格理论，我们形成了全罩式纤维在非地测线绕制模式下的无滑移的数学模型，为创建平面绕制封头的模型奠定了基础。为了确保壳体厚度预测的准确性，我们用三阶样条函数法来计算包装厚度。 在追求压力容器轻型化的过程中，我们也探究了如何优化压力容器的厚度、样式和复合材料的绕制角度。 在根据网格理论计算出复合材料的初始厚度后，我们使用有限元素法来计算满足结构安全需求的压力容器的圆筒和顶部部分的厚度，特别是在不同绕制角度下的顶部厚度，从而修正了理论计算的厚度。我们还利用响应表面法对封头部分进行了最优化设计，以实现轻型化和容积的提升[2]。

在均衡状态下，根据缠绕层的总厚度、纤维的拉伸强度和筒体的半径，可以计算出圆筒爆破压强。尽管如此，预先计算的内衬厚度、假设的内衬、纤维和压强的极限条件，并未能在确定内衬壁厚上提供有效帮助。因此，他们采用了网格理论，引入了程序化的优化推导方式。在这种方式中，纤维的预紧应力作为自变量，通过解联立的矩阵方程，准确计算了在不同的内衬壁厚和内压阶段，双层壳体的应力值。这种方式使得计算内衬壁厚、确定纤维预紧应力范围以及分析复合材料结构力度等问题更为快捷，并帮助金属内衬复合材料压力容器在全面优化设计方面实现了显著进步。

另一方面，纤维的最优缠绕路径受芯轴的几何形态以及工艺动力学影响，这使得找出最佳的纤维缠绕路径是纤维缠绕工艺设计面临的核心问题和难题。为深入理解非测地线缠绕对压力容器力学性能的影响，我们将网格理论和经典层合板理论相结合进行计算，并参考了测地线和非测地线的缠绕路径。网格理论为设计纤维缠绕压力容器壳体的策略提供了解决框架。

二、碳纤维缠绕压力容器应用分析

碳纤维材料拥有出色的柔韧性，它的特性与金属截然不同，它是一种高度灵活，各向异性目光均匀的特殊材质。只需调整材料的配比以及叠放方式，就能改变其力学性质，因此能灵活地适应各种使用环境和工作条件，满足生产和运输的复杂需求。例如，当纵向应力是横向应力的4倍时，只需要将纵向与横向碳纤维的缠绕比调整至4:1，就能实现纵向强度是横向强度的4倍，并均衡结构的应力，从而降低材料因为应力不均匀造成的断裂和疲劳等问题[3]。

设计师可以利用碳纤维材料为每个压力容器在不同的工况下制定出满足自身应力需求的结构，极大提升了压力容器的灵活性。然而，纤维缠绕材料存在一些局限性，比如在外部力量和其他负载的影响下，纤维材料比金属更容易发生形变，由于其各向异性的特性，形变的方向也无法预测，极大降低了结构的稳定性和可靠性，可能导致压力容器部分结构的故障。在设计中，我们应当预见并考虑到这些外部因素，以免由于材料的不足而引发的各种问题。

虽然碳纤维缠绕压力容器展现出了很多优良特性，如高的强度比和模量比、良好的抗腐能力，并且可以进行等强度设计，但由于其纤维材质的耐热和抵制高温的能力相对较差，部分材料容易受到介质的腐蚀。因此，在使用碳纤维缠绕复合材料制造压力容器时，需要结合金属内胆层和树脂的使用。这些内衬材料如铝合金和耐腐蚀塑料，会直接与压力容器内物质接触，确保压力容器具有足够的密封性，以及耐高温和高强度的需求。过去几年，非金属内衬复合材料压力容器出现了许多问题，包括撞击强度低，接口渗漏，内衬和复合材料连接部位脱落，以及由低温导致的脆化破裂，但整体看来，将来复合材料压力容器的发展方向应是使用金属内衬材料。

原来的纤维缠绕层主要负责承载应力负荷，其极强的强度可通过有别于常规的缠绕和叠加方式来实现，除此以外，它还具有较强的韧性，能够有效地传递和分散各类应力。粘接碳纤维的重要材料就是树脂。碳纤维缠绕压力容器的主要优点包括较大的比模量、较高的比强度，风险低，易于制造且价格亲民，还可以根据需求定制。在压力容器设计中，过去通常选择高强型纤维如T700、T800等，但现在更多地是选用F-12纤维、RE14纤维。这类纤维通过缠绕可以维持在150 N至200 N的张力，PVW值为37.02km，纤维强度转化率为73.26%，应用领域多为航空航天等高应力工况下[4]。

结论：压力容器在现代工业生产中扮演着至关重要的角色，目前传统的压力容器主要由金属合金制作，这种方式不仅造成了成本和重量过高的问题，还导致了应力分布不均匀、抗腐蚀能力弱和耐高温性能差等问题。在当下我国积极推广绿色经济和绿色发展的大环境中，利用新型复合材料来优化压力容器的设计已经成为迫切的需要。

参考文献：

[1]孟凌霄,石文泽,卢超等.碳纤维增强树脂基复合材料气瓶电磁超声在线监测方法及失效机制[J/OL].复合材料学报:1-13[2023-09-01].

[2]王征,董九志,陈云军等.碳纤维增强坩埚预制体缠绕线型轨迹研究[J].复合材料科学与工程,2023(07):112-119.

[3]张小波,李玄,胡翠.碳纤维复合材料发动机壳体的结构设计[J].信息记录材料,2023,24(07):42-45.

[4]杨斌,胡超杰,轩福贞等.基于超声导波的压力容器健康监测Ⅲ：纤维缠绕压力容器的在线监测[J].机械工程学报,2020,56(10):19-26.