本研究試驗的目的，試圖找到提高 COPV- composite over wrapped  pressure vesse（復合材料包覆壓力容器）爆裂強度的最佳設計方案。在此背景下，本工作研究了碳纖維（T800S）、纏繞角度、層數和層數對 IV 型 COPV 爆裂強度的影響。采用最大應力、最大應變、損傷失效準則來確定 COPV 的爆破強度。采用數字圖像相關技術對纖維的破壞應變進行了量化。將預測結果與試驗結果進行了比較。

材料模型和失效標準

有限元模型中使用的力學性能如表 1 所示。

為了使用 ABAQUS 計算 COPV 的爆破壓力，必須定義失效標準。該分析的失效標準為最大應力、最大應變。由于這些標準是眾所周知的，這里不給出標準的詳細描述。這五個失效標準用于比較 結果。對于處于壓力載荷下的 COPV，假設損傷的失效模式由纖維失效主導。除了損傷起始準則外，還使用了基于能量的損傷演化準則來表征材料的漸進損傷。一旦某個元素滿足了臨界能量標準，就將其從模擬中刪除。內部壓力以較小的載荷增量逐漸施加，并觀察失效指數。當失效指數大于 1 時，施加的載荷被視為 COPV 失效的壓力。

有限元模型

復合外包裝壓力容器模型是在沒有內襯的情況下創建的，并使用 WCM 模塊由 T800S 碳/環氧預浸料完全外包裝。該分析中使用的復合材料層的彈性性能如表 1 所示。利用 ABAQUS 軟件，采用有限元法對結構進行了靜力建模。在所有情況下都考慮了非線性幾何，因為預計會出現大的不平衡變形。ASTM D 2585 COPV 幾何形狀、襯墊和制造的 COPV 的幾何形狀分別如圖 1、圖 2 和圖 3 所示。

ASTM D25851968 年版，1968 年-纖維纏繞壓力容器的制備和拉伸試驗的標準試驗方法

圖 1. ASTM D 2585 COPV 的幾何形狀

圖 2. ASTM D 2585 內襯的幾何形狀

圖 3. ASTM D 2585 制造的 COPV 的幾何形狀

COPV 的包裹層

每個極性纏繞層由 2 層組成，而每個環向層由 1 層組成。COPV疊層由 5 個基本層組成。（圖 4）。這些是：

1層: 0.23  英寸帶寬，0.033  英寸厚度和?13°極性繞組。

2層：0.23 英寸帶寬，0.033 英寸厚度和 13°極性繞組。

3層：0.23 英寸帶寬，0.009 英寸厚度和 88°環向繞組。

4層：0.23  英寸帶寬，0.033  英寸厚度和?13°極性繞組。

5層: 0.23 英寸帶寬，0.033 英寸厚度和 13°極性繞組。

圖 4. 半罐四分之一有限元模型（ASTM D 2585）和復合材料疊層

當纖維在任何層中完全損壞時，在該分析中都會考慮爆裂壓力，因此不分析基體損壞來確定 COPV 的爆裂壓力。 類似地，計算所有其他情況下的爆破壓力。結果匯總如表 2 所示?？紤]了 11 種情況，以發現極角和環向角以及分層順序對爆破壓力的影響。極角和環向角繞組如圖 16 所示。螺旋纏繞角在本研究中被稱為環向角。在情況 1-4 中，環向角在 87.5°至 89°之間變化，保持極角（13°）不變。有限的環向角范圍（87–89°）是根據燈絲的風力能力考慮的。爆破壓力隨環向角的變化如圖 17 所示。研究發現，爆破壓力隨環向角的增大而增大。隨著環向角的增加，COPV 的切向環向應力阻力增加，因此爆破壓力增加，這是合理的。

COPV 試驗件制備

COPV 是使用長絲纏繞機制造的。制備步驟為：

（i）制造心軸的模具

（ii）制造心軸，

（iii）用聚四氟乙烯帶包裹心軸，

（iv）使用心軸幾何形狀對細絲纏繞機進行編程，

（v）使 用 TCR Composites 提 供 的 T800S-10E- 24K/UF3323 絲束預浸料對 COPV 進行細絲纏繞，

（vi）在 350°F 下固化 24 小時，

（vii）移除水溶性芯軸

（viii）安裝端部法蘭

（ix）安裝應變儀

（x）連接的 COPV 和爆裂試驗室中的壓力控制器管

（xi）安裝數字圖像相關系統（DIC- digital image correlation）

（xii）逐漸增加壓力，直到 COPV 失效。COPV 燈絲纏繞過程的照片如圖 20 所示。

圖 20. COPV 在燈長絲纏繞機中的纏繞過程

爆破壓力水壓試驗

測試在丙烯酸墻隔間中進行，使用從頂部支撐 COPV 的測試夾具。使用 TESCOM ER5000 壓力控制器將高壓水和氮氣注入 COPV

（圖 21）。壓力逐漸增加 20 磅/平方英寸，直至爆裂。試驗箱如圖 22所示：

Fig. 21. TESCOM ER5000.

圖 23. 爆破試驗失敗區域

測試結果-壓力測量

進行了幾次測試，測試結果和預測結果如表 2 所示。從結果的比較中發現，預測的爆破壓力在測試結果的 5%以內。失效區和失效的 COPV 分別如圖 23 和圖 24 所示。通過對失效的 COPV 的觀察，發現 COPV 在環向區域由于纖維的局部拉伸或剪切而失效。有限元預測的失效區也在環箍區域。極性纖維不會出現任何類型的過早失效或損壞。復合材料在環箍區域的張力區出現粘結失效。進行了三次爆破試驗，爆破試驗數據如圖 25 所示。

圖 24. 突發測試失效 COPV

圖 25. 爆破壓力

   結論   

本研究旨在優化 ASTM D2585 COPV IV 型聚合物內襯復合材料外包裝壓力容器的設計。本研究使用了碳纖維預浸紗（T800S-10E- 24K）和基材樹脂 TCR UF3323。研究發現：

（i）在大多數情況下，在圓柱形（環箍）區域觀察到拉伸失效。

（ii）從最大應力和應變準則獲得的爆破壓力更保守（更少）， 而從 Hashin 損傷準則獲得的則更自由。

（iii）爆裂壓力對復合材料層厚度和纏繞角度非常敏感。

（iv）爆破壓力隨環向角和極角的增大而增大。

（v）在爆裂測試期間，就在應變變為非線性之前，觀察到的最高應變為 1.63%。

其它研究得出的結論

• 之前的研究表明，襯墊可以減少加壓過程中的應力發展。
• 當受到工作壓力時，容器頭部出現基體裂紋損傷，而圓柱體中部出現纖維拉伸損傷。自應力對應力幅值的影響很小，但對平均應力的影響很大。
• 有限元分析預測復合材料壓力容器具有較高的應力承載能力。
• 分析表明，對于一定的疊層結構，壓力容器的厚度取決于纖維取材料類型。與不銹鋼壓力容器相比，復合材料壓力容器具有更高的重量節省。有限元解與解析解吻合較好。
• 他們預測爆裂壓力是各種纖維方位角的函數。他們得出的結論是，在所有分析的纖維取向角中，±45°的取向角是最佳的。
• 低爆裂壓力、低彎曲剛度和低抗沖擊性是 COPV 的尖銳問題。

END

注：本文根據《 Design and development of a filament wound composite overwrapped pressure vessel 》 2020.10.重新編輯、整理。

楊超凡 2023.9.5