下面文章針對鋼內膽環向纏繞氣瓶復合材料層產生的環向裂紋，以及軸向裂紋的現象展開研究，并對氣瓶復合材料層進行受力分析，探討裂紋產生的機理，而且進一步的提出改進建議。

　　關鍵詞：天然氣,金屬內膽環纏氣瓶,環向/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)和鋼內膽玻璃纖維環向纏繞氣瓶(CNG2)，纏繞氣瓶因其容重比優于鋼瓶，在汽車輕量化的大趨勢下，市場占比越來越高。

　　按照GB24160，環向纏繞氣瓶內膽材料采用30CrMo合金鋼，復合層用浸漬樹脂的玻璃纖維連續在內膽的筒體部分進行環向纏繞。氣瓶經過自緊過程后，氣瓶纏繞層為載荷的主要載體，正因為如此，氣瓶纏繞層會不可避免出現各類缺陷，表面裂紋是其中的一種現象，常見的有環向裂紋和軸向裂紋，本篇對裂紋產生的機理進行探討，提出復合材料表面質量優化建議。

　　2環向纏繞氣瓶復合層受力狀況分析

　　2.1氣瓶受力分析

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

　　一般而言，玻璃纖維的彈性模量要遠遠大于樹脂的彈性模量，高達106級比值，因此玻璃纖維的強度要比樹脂基體的強度大很多，甚至縱向方向上完全可以忽略樹脂基體強度對復合材料強度的貢獻。

　　3環向纏繞氣瓶環向/軸向裂紋機理探討

　　3.1環向裂紋機理分析探討

　　在給復合氣瓶施加內壓載荷(如自緊壓力)時，內膽層會同時受到橫向應力和縱向應力并產生應變。當所施加的內壓載荷足夠小時，通過內膽層傳遞給復合材料層的內壓載荷足夠小(小于σ2)，復合材料層不會發生任何失效，因此環向和軸向裂紋都不會產生。

　　當所施加內壓載荷逐漸增大時，內膽層逐漸從彈性階段過渡到塑性階段，內膽層應力和應變不斷增大，同時內膽層不斷把內壓載荷和自身產生的應變傳遞給復合材料層。當傳遞給復合材料層的應力大于σ2時，此時樹脂基體先發生失效，即產生環向裂紋。環向裂紋出現是產品結構應力分布所決定的。要完全消除環向裂紋，可以一方面提高內膽強度和不斷降低內壓載荷，另一方面改變產品結構并且大幅度提高樹脂基體強度，基于目前的樹脂體系、產品結構設計和工藝設計，這是不太現實的，因此環向裂紋不可避免。

　　3.2軸向裂紋機理分析探討

　　軸向裂紋的產生和σ1關系密切。因為σ1>>σ2，所以軸向裂紋的出現要落后于環向裂紋。軸向的復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。對于復合氣瓶來講，由于復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大于樹脂基體彈性模量，樹脂基體只承受小部分載荷，故當基體破壞時，向纖維轉移的應力載荷不足以引起纖維的斷裂，假設施加給內膽的載荷不斷增大直至達到纖維的斷裂強度，導致纖維最終失效，此時氣瓶整個復合材料層最終失效。

　　由于氣瓶自緊過程中施加給內膽的載荷要遠遠小于纖維的斷裂強度，所以氣瓶自緊過程之后，只看到沿著軸向的樹脂基體出現裂紋而不會看到纖維斷裂。軸向裂紋的產生一方面和復合材料層兩相材料的應變有一定關系外，還和內膽應變有著極度密切的正相關關系。內膽層應變(膨脹量)過大，因環向應變大于軸向應變，將會使得軸向方向的樹脂基體很快進入斷裂失效模式，甚至在環向裂紋來不及密集發生時，它已經開始出現。根據結構系統能量守恒定律，當軸向裂紋出現時，它將和環向裂紋一道釋放內壓載荷。

　　因此，軸向裂紋出現將起到抑制環向裂紋進一步增生的作用，兩者一道最終達到平衡狀態，此時內壓載荷也釋放完畢。軸向裂紋完全可以消除。一方面通過提高內膽強度，另一方面，通過優化固化工藝制度和樹脂體系進一步提高樹脂的斷裂線應變，使其和玻璃纖維斷裂線應變相一致甚至超越，以達到受縱向應力載荷時一同變形，通過纖維的彈性形變更多地吸收內壓載荷，從而抑制軸向裂紋的產生。最后，可以減小內壓載荷的升壓速率，以保證樹脂基體有充分的反應時間通過界面相把內壓載荷傳遞給玻璃纖維。

　　4結論

　　通過以上分析可以得出如下結論：纏繞氣瓶的環向和軸向裂紋的出現主要是氣瓶在自緊過程中，內膽殘余變形過大，復合材料層承受的壓力較大，致使表面出現了環向或軸向裂紋。環向裂紋不可避免。氣瓶軸向裂紋主要是樹脂基體出現的表面裂紋，對氣瓶爆破性能有很大的影響，可以通過內膽強度的控制，優化纏繞固化工藝等手段則完全可以避免。

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