下面文章針對(duì)鋼內(nèi)膽環(huán)向纏繞氣瓶復(fù)合材料層產(chǎn)生的環(huán)向裂紋，以及軸向裂紋的現(xiàn)象展開研究，并對(duì)氣瓶復(fù)合材料層進(jìn)行受力分析，探討裂紋產(chǎn)生的機(jī)理，而且進(jìn)一步的提出改進(jìn)建議。

　　關(guān)鍵詞：天然氣,金屬內(nèi)膽環(huán)纏氣瓶,環(huán)向/軸向裂紋

　　1引言

　　隨著世界能源短缺，近幾年，清潔可再生能源日益受到各國政府的重視。目前我國天然氣汽車主要是純鋼瓶(CNG1)和鋼內(nèi)膽玻璃纖維環(huán)向纏繞氣瓶(CNG2)，纏繞氣瓶因其容重比優(yōu)于鋼瓶，在汽車輕量化的大趨勢下，市場占比越來越高。

　　按照GB24160，環(huán)向纏繞氣瓶內(nèi)膽材料采用30CrMo合金鋼，復(fù)合層用浸漬樹脂的玻璃纖維連續(xù)在內(nèi)膽的筒體部分進(jìn)行環(huán)向纏繞。氣瓶經(jīng)過自緊過程后，氣瓶纏繞層為載荷的主要載體，正因?yàn)槿绱耍瑲馄坷p繞層會(huì)不可避免出現(xiàn)各類缺陷，表面裂紋是其中的一種現(xiàn)象，常見的有環(huán)向裂紋和軸向裂紋，本篇對(duì)裂紋產(chǎn)生的機(jī)理進(jìn)行探討，提出復(fù)合材料表面質(zhì)量優(yōu)化建議。

　　2環(huán)向纏繞氣瓶復(fù)合層受力狀況分析

　　2.1氣瓶受力分析

　　復(fù)合材料層和內(nèi)膽均受到三維方向的應(yīng)力，它們分別為縱向應(yīng)力(沿著纖維方向，又叫環(huán)向應(yīng)力，記σ1)、橫向應(yīng)力(垂直纖維方向，又叫軸向應(yīng)力，記σ2)、徑向應(yīng)力(等于內(nèi)膽所施加的應(yīng)力)。復(fù)合材料層具有兩相，即樹脂基體相和增強(qiáng)材料玻璃纖維相。對(duì)于樹脂基體而言，它是各向同性材料。對(duì)于增強(qiáng)材料玻璃纖維相，沿著纖維方向的應(yīng)力最大。

　　一般而言，玻璃纖維的彈性模量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于樹脂的彈性模量，高達(dá)106級(jí)比值，因此玻璃纖維的強(qiáng)度要比樹脂基體的強(qiáng)度大很多，甚至縱向方向上完全可以忽略樹脂基體強(qiáng)度對(duì)復(fù)合材料強(qiáng)度的貢獻(xiàn)。

　　3環(huán)向纏繞氣瓶環(huán)向/軸向裂紋機(jī)理探討

　　3.1環(huán)向裂紋機(jī)理分析探討

　　在給復(fù)合氣瓶施加內(nèi)壓載荷(如自緊壓力)時(shí)，內(nèi)膽層會(huì)同時(shí)受到橫向應(yīng)力和縱向應(yīng)力并產(chǎn)生應(yīng)變。當(dāng)所施加的內(nèi)壓載荷足夠小時(shí)，通過內(nèi)膽層傳遞給復(fù)合材料層的內(nèi)壓載荷足夠小(小于σ2)，復(fù)合材料層不會(huì)發(fā)生任何失效，因此環(huán)向和軸向裂紋都不會(huì)產(chǎn)生。

　　當(dāng)所施加內(nèi)壓載荷逐漸增大時(shí)，內(nèi)膽層逐漸從彈性階段過渡到塑性階段，內(nèi)膽層應(yīng)力和應(yīng)變不斷增大，同時(shí)內(nèi)膽層不斷把內(nèi)壓載荷和自身產(chǎn)生的應(yīng)變傳遞給復(fù)合材料層。當(dāng)傳遞給復(fù)合材料層的應(yīng)力大于σ2時(shí)，此時(shí)樹脂基體先發(fā)生失效，即產(chǎn)生環(huán)向裂紋。環(huán)向裂紋出現(xiàn)是產(chǎn)品結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布所決定的。要完全消除環(huán)向裂紋，可以一方面提高內(nèi)膽強(qiáng)度和不斷降低內(nèi)壓載荷，另一方面改變產(chǎn)品結(jié)構(gòu)并且大幅度提高樹脂基體強(qiáng)度，基于目前的樹脂體系、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)，這是不太現(xiàn)實(shí)的，因此環(huán)向裂紋不可避免。

　　3.2軸向裂紋機(jī)理分析探討

　　軸向裂紋的產(chǎn)生和σ1關(guān)系密切。因?yàn)?sigma;1>>σ2，所以軸向裂紋的出現(xiàn)要落后于環(huán)向裂紋。軸向的復(fù)合材料層失效可以分成纖維先斷裂和樹脂先斷裂兩種模式。對(duì)于復(fù)合氣瓶來講，由于復(fù)合材料層玻璃纖維體積含量大約70%，而且玻璃纖維彈性模量要遠(yuǎn)大于樹脂基體彈性模量，樹脂基體只承受小部分載荷，故當(dāng)基體破壞時(shí)，向纖維轉(zhuǎn)移的應(yīng)力載荷不足以引起纖維的斷裂，假設(shè)施加給內(nèi)膽的載荷不斷增大直至達(dá)到纖維的斷裂強(qiáng)度，導(dǎo)致纖維最終失效，此時(shí)氣瓶整個(gè)復(fù)合材料層最終失效。

　　由于氣瓶自緊過程中施加給內(nèi)膽的載荷要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于纖維的斷裂強(qiáng)度，所以氣瓶自緊過程之后，只看到沿著軸向的樹脂基體出現(xiàn)裂紋而不會(huì)看到纖維斷裂。軸向裂紋的產(chǎn)生一方面和復(fù)合材料層兩相材料的應(yīng)變有一定關(guān)系外，還和內(nèi)膽應(yīng)變有著極度密切的正相關(guān)關(guān)系。內(nèi)膽層應(yīng)變(膨脹量)過大，因環(huán)向應(yīng)變大于軸向應(yīng)變，將會(huì)使得軸向方向的樹脂基體很快進(jìn)入斷裂失效模式，甚至在環(huán)向裂紋來不及密集發(fā)生時(shí)，它已經(jīng)開始出現(xiàn)。根據(jù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)能量守恒定律，當(dāng)軸向裂紋出現(xiàn)時(shí)，它將和環(huán)向裂紋一道釋放內(nèi)壓載荷。

　　因此，軸向裂紋出現(xiàn)將起到抑制環(huán)向裂紋進(jìn)一步增生的作用，兩者一道最終達(dá)到平衡狀態(tài)，此時(shí)內(nèi)壓載荷也釋放完畢。軸向裂紋完全可以消除。一方面通過提高內(nèi)膽強(qiáng)度，另一方面，通過優(yōu)化固化工藝制度和樹脂體系進(jìn)一步提高樹脂的斷裂線應(yīng)變，使其和玻璃纖維斷裂線應(yīng)變相一致甚至超越，以達(dá)到受縱向應(yīng)力載荷時(shí)一同變形，通過纖維的彈性形變更多地吸收內(nèi)壓載荷，從而抑制軸向裂紋的產(chǎn)生。最后，可以減小內(nèi)壓載荷的升壓速率，以保證樹脂基體有充分的反應(yīng)時(shí)間通過界面相把內(nèi)壓載荷傳遞給玻璃纖維。

　　4結(jié)論

　　通過以上分析可以得出如下結(jié)論：纏繞氣瓶的環(huán)向和軸向裂紋的出現(xiàn)主要是氣瓶在自緊過程中，內(nèi)膽殘余變形過大，復(fù)合材料層承受的壓力較大，致使表面出現(xiàn)了環(huán)向或軸向裂紋。環(huán)向裂紋不可避免。氣瓶軸向裂紋主要是樹脂基體出現(xiàn)的表面裂紋，對(duì)氣瓶爆破性能有很大的影響，可以通過內(nèi)膽強(qiáng)度的控制，優(yōu)化纏繞固化工藝等手段則完全可以避免。

　　相關(guān)期刊推薦：《北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)》是北京工業(yè)大學(xué)主辦的理工科綜合性學(xué)術(shù)刊物。主要刊登機(jī)械、自動(dòng)控制、無線電、土木工程、化學(xué)與環(huán)境科學(xué)、數(shù)學(xué)、物理、計(jì)算機(jī)科學(xué)、金屬材料學(xué)、熱能工程、建筑學(xué)、管理等方面的學(xué)術(shù)論文、科研報(bào)告等。