CN110686816A - 一种高压复合材料气瓶应力过载的预警检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于高压复合材料气瓶安全评估技术领域，具体涉及一种高压复合材料气瓶应力过载的预警检测方法，包括如下步骤：步骤一：通过纤维缠绕工艺，建立气瓶的有限元模型，通过有限元分析确定极限压强下气瓶应变较大的位置和方向；步骤二：根据应变值选择单向碳纤维和单向玻璃纤维预浸料片材，利用热压罐成型工艺，制作单向碳纤/玻纤混杂复合板；步骤三：将单向碳纤/玻纤混杂复合板粘贴于复合材料拉伸试样表面，对试样进行拉伸试验，实时监测混杂层合板中碳纤维层的损伤演化，获得单向碳纤/玻纤混杂复合板中碳纤维层失效的极限应变值，筛选出试验获得的极限应变值与有限元分析得到的气瓶应变值相匹配的单向碳纤/玻纤混杂复合板材料。

Description

一种高压复合材料气瓶应力过载的预警检测方法
技术领域
本发明属于高压复合材料气瓶安全评估技术领域，具体涉及一种高压复合材料气瓶应力过载的预警检测方法。
背景技术
与传统的钢制耐压气瓶相比，高压复合材料气瓶具有重量轻、压力容限高、耐腐蚀、成本低等优点，在航空航天、医疗卫生、化工等工程领域内应用发展较快。尤其作为氢燃料新能源汽车的储氢关键部件，高压复合材料气瓶得到了广泛的应用。
高压复合材料气瓶在服役期间的安全性和可靠性对于整个装置和人员安全都非常重要。高压复合材料气瓶由于在制造过程中形成的局部缺陷或者在使用过程中产生的局部疲劳损伤，可能会在这些局部产生较大应变，如果气瓶持续在高压状态下工作，其危险性会大大的增加。
目前对高压复合材料气瓶的局部应变监测主要有应变片和光纤光栅传感器，由于其应用成本和操作简便性等原因，这些方式任然处于实验阶段，还没有大量应用于实际工作中。高压复合材料气瓶在爆破前变形很大，有缺陷的局部应变更大。根据研究文献报道，埋入复合材料气瓶的光纤光栅传感器由于变形过大，光纤提前发生断裂，很难监测到气瓶爆破压力。如果能够简便的提前监测到气瓶的应力过载发生，会使高压复合材料气瓶的服役更加安全可靠，促进其能够得到更广泛的工程应用。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述技术不足，提供了一种高压复合材料气瓶应力过载的预警检测方法。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：一种高压复合材料气瓶应力过载的预警检测方法，包括如下步骤：步骤一：通过纤维缠绕工艺，建立气瓶的有限元模型，通过有限元分析确定极限压强下气瓶应变较大的位置和方向；
步骤二：根据应变值选择单向碳纤维和单向玻璃纤维预浸料片材，利用热压罐成型工艺，制作单向碳纤/玻纤混杂复合板；
步骤三：将单向碳纤/玻纤混杂复合板粘贴于复合材料拉伸试样表面，对试样进行拉伸试验，实时监测混杂层合板中碳纤维层的损伤演化，获得单向碳纤/玻纤混杂复合板中碳纤维层失效的极限应变值，筛选出试验获得的极限应变值与有限元分析得到的气瓶应变值相匹配的单向碳纤/玻纤混杂复合板材料；
步骤四：将单向碳纤/玻纤混杂复合板和应变片粘贴于气瓶表面的待测位置，对气瓶进行连续加载破坏试验，实时监测单向碳纤/玻纤混杂复合板中碳纤维层的损伤演化，记录应变仪的实时应变值，验证并筛选单向碳纤/玻纤混杂复合板；
步骤五：将筛选的适合气瓶不同部位极限应变值的单向碳纤/玻纤混杂复合板片材分别粘贴于气瓶表面的待测位置，通过单向碳纤/玻纤混杂复合板片材中的碳纤维层损伤状况判断气瓶的安全水平，对气瓶应力过载进行提前预警；
作为优选，所述步骤二中，根据应变值选择单向碳纤维是指单向碳纤维断裂应变值与对应的气瓶不同部位的极限应变值相匹配。
作为优选，单向玻璃纤维预浸料片材为透明树脂。
作为优选，所述步骤三中复合材料拉伸试样取自气瓶的纤维复合材料层或气瓶外层的复合材料层。
作为优选，所述步骤三中复合材料拉伸试样还可以使用由同高压复合材料气瓶外层的复合材料层中纤维和树脂一样的材料制作而成。
作为优选，所述步骤三和步骤四中的实时监测具体是指CCD相机对试样进行连续拍摄，CCD相机拍摄与试验机加载同步进行。
作为优选，所述步骤四和步骤五中的气瓶表面的待测位置具体是指气瓶的左端封头与中间筒段的连接过渡区域、中间筒段的中部区域、右端封头与中间筒段的连接过渡区域的纵向和环向位置。
本发明所达到的有益效果：本发明的高压复合材料气瓶应力过载的预警检测方法通过将粘贴于气瓶表面的单向碳纤/玻纤混杂复合板的损伤程度用以监测高压复合材料气瓶的应力过载。单向碳纤维层作为内层，粘贴于气瓶表面，其颜色为黑色，其断后延伸率较小，通过拉伸实验和气瓶的爆破实验验证了其爆破前的损伤状态。单向玻璃纤维层作为复合板的外层，其叠粘于单向碳纤维层上，其为无色透明，其断后延伸率比单向碳纤维层要大的很多。当气瓶局部应变达到了单向碳纤维层拉伸断裂应变值时，单向碳纤维层就要发生纤维断裂和树脂基体开裂损伤，进而引起碳纤维层与玻璃纤维层之间产生分层损伤，因为外层的玻璃纤维层是无色透明的，在光照下用目视可以观察到分层损伤呈现条纹状。随着应变不断增加，观察到的分层损伤面积也在逐渐增加。通过气瓶的破坏实验，筛选了粘贴于不同位置处的碳纤维层，使其在气瓶达到爆破压力的85％时，观察到的分层损伤面积可遍布到整个混杂复合板，这样可以起到提前预警气瓶的应力过载。
本发明操作简单，成本低，不必使用复杂的监控装置。操作人员在气瓶充气加压时或者定期观察混杂板的损伤程度，判断气瓶的安全运行状况。生产厂家可以在气瓶出厂前通过该方法进行预警检测，增加用户使用安全性和产品稳定性。
附图说明
图1为单向碳纤/玻纤混杂复合板拉伸试样示意图；
图2为单向碳纤/玻纤混杂复合板损伤演化示意图；
图3为本发明实施方式的结构示意图。
其中：1、拉伸试样，2、单向碳纤维层，3、单向玻璃纤维层，4、CCD相机，5、复合材料气瓶，6、单向碳纤/玻纤混杂复合板。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图所示：一种高压复合材料气瓶应力过载的预警检测方法，包括如下步骤：步骤一：通过纤维缠绕工艺，建立气瓶的有限元模型，通过有限元分析确定极限压强下气瓶应变较大的位置和方向；
步骤二：根据应变值选择单向碳纤维层2和单向玻璃纤维层3预浸料片材，利用热压罐成型工艺，制作单向碳纤/玻纤混杂复合板6；
步骤三：将单向碳纤/玻纤混杂复合板6粘贴于复合材料拉伸试样1表面，对试样进行拉伸试验，如图1所示，对拉伸试样1进行拉伸试验，使用CCD相机4实时拍摄单向碳纤/玻纤混杂复合板6中碳纤维层的损伤演化，获得单向碳纤/玻纤混杂复合板中碳纤维层失效的极限应变值，筛选试验获得的极限应变值与有限元分析得到的复合材料气瓶5应变值相匹配的混杂复合材料；
步骤四：将几种单向碳纤/玻纤混杂复合板6和应变片粘贴于复合材料气瓶5表面的待测位置，对复合材料气瓶5进行连续加载破坏试验，实时监测单向碳纤/玻纤混杂复合板6中碳纤维层的损伤演化，如图2所示，随着载荷不断加大，单向碳纤/玻纤混杂复合板6的损伤不断加重，分层损伤逐渐增多，损伤所致的条纹不断增多，最终损伤扩展至整个单向碳纤/玻纤混杂复合板6；同时记录应变仪的实时应变值，验证并筛选单向碳纤/玻纤混杂复合板6；
步骤五：将筛选的适合复合材料气瓶5不同部位极限应变值的单向碳纤/玻纤混杂复合板6分别粘贴于复合材料气瓶5表面对应位置；如图3所示，在复合材料气瓶5的左端封头与中间筒段的连接过渡区域、中间筒段的中部区域、右端封头与中间筒段的连接过渡区域的纵向和环向方向，沿复合材料气瓶5的外圆周均匀粘贴8片单向碳纤/玻纤混杂复合板6片材，通过在复合材料气瓶5充气加压时或者定期观察混杂板的损伤程度(条纹密度)判断气瓶的安全水平(如图2所示)，对气瓶应力过载进行提前预警。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种高压复合材料气瓶应力过载的预警检测方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤一：通过纤维缠绕工艺，建立气瓶的有限元模型，通过有限元分析确定极限压强下气瓶应变较大的位置和方向；
步骤二：根据应变值选择单向碳纤维和单向玻璃纤维预浸料片材，利用热压罐成型工艺，制作单向碳纤/玻纤混杂复合板；
步骤三：将单向碳纤/玻纤混杂复合板粘贴于复合材料拉伸试样表面，对试样进行拉伸试验，实时监测混杂层合板中碳纤维层的损伤演化，获得单向碳纤/玻纤混杂复合板中碳纤维层失效的极限应变值，筛选出试验获得的极限应变值与有限元分析得到的气瓶应变值相匹配的单向碳纤/玻纤混杂复合板材料；
步骤四：将单向碳纤/玻纤混杂复合板和应变片粘贴于气瓶表面的待测位置，对气瓶进行连续加载破坏试验，实时监测单向碳纤/玻纤混杂复合板中碳纤维层的损伤演化，记录应变仪的实时应变值，验证并筛选单向碳纤/玻纤混杂复合板；
步骤五：将筛选的适合气瓶不同部位极限应变值的单向碳纤/玻纤混杂复合板片材分别粘贴于气瓶表面的待测位置，通过单向碳纤/玻纤混杂复合板片材中的碳纤维层损伤状况判断气瓶的安全水平，对气瓶应力过载进行提前预警。
2.根据权利要求1所述的高压复合材料气瓶应力过载的预警检测方法，其特征在于：所述步骤二中，根据应变值选择单向碳纤维是指单向碳纤维断裂应变值与对应的气瓶不同部位的极限应变值相匹配。
3.根据权利要求1所述的高压复合材料气瓶应力过载的预警检测方法，其特征在于：单向玻璃纤维预浸料片材为透明树脂。
4.根据权利要求1所述的高压复合材料气瓶应力过载的预警检测方法，其特征在于：所述步骤三中复合材料拉伸试样取自气瓶的纤维复合材料层或气瓶外层的复合材料层。
5.根据权利要求1所述的高压复合材料气瓶应力过载的预警检测方法，其特征在于：所述步骤三中复合材料拉伸试样还可以使用由同高压复合材料气瓶外层的复合材料层中纤维和树脂一样的材料制作而成。
6.根据权利要求1所述的高压复合材料气瓶应力过载的预警检测方法，其特征在于：所述步骤三和步骤四中的实时监测具体是指CCD相机对试样进行连续拍摄，CCD相机拍摄与试验机加载同步进行。
7.根据权利要求1所述的高压复合材料气瓶应力过载的预警检测方法，其特征在于：所述步骤四和步骤五中的气瓶表面的待测位置具体是指气瓶的左端封头与中间筒段的连接过渡区域、中间筒段的中部区域、右端封头与中间筒段的连接过渡区域的纵向和环向位置。
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