基于ABAQUS含分層缺陷塑料內(nèi)膽纖維纏繞氣瓶紅外檢測研究

彭澤軍,盧 軍,霍 臻,陳 明,劉 彪,徐 亮,黃東鎏

(武漢市鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究所，武漢 430000)

0 引言

氣瓶是廣泛應(yīng)用在化工、機(jī)械、醫(yī)藥、交通、航天等領(lǐng)域的壓力容器。根據(jù)國家市場監(jiān)督管理總局發(fā)布的2019年全國特種設(shè)備安全狀況的通告[1]數(shù)據(jù)顯示，我國在用氣瓶數(shù)量高達(dá)1.64億只。目前，在役氣瓶主要是鋼制氣瓶和金屬內(nèi)膽的復(fù)合材料氣瓶。塑料內(nèi)膽纖維纏繞氣瓶由于其服役環(huán)境和使用特點(diǎn)，會產(chǎn)生分層、磨損、脫膠、裂紋、內(nèi)膽內(nèi)凹等缺陷[2-3]。在我國現(xiàn)行的國家標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47013—2015《承壓設(shè)備無損檢測》中所收錄的15種無損檢測方法，每種檢測方法都有自己的適用范圍和優(yōu)缺點(diǎn)，但沒有任何一種檢測方法可以將塑料內(nèi)膽纖維纏繞氣瓶所含各種類型的缺陷全部檢測出來。

紅外檢測技術(shù)由于具有無接觸、大面積、檢測快等優(yōu)點(diǎn)，越來越多的中外學(xué)者在復(fù)合材料的紅外檢測可行性方面做了大量的研究工作，并取得一定的成果。丁克勤等[4]對含分層缺陷的金屬內(nèi)膽復(fù)合材料氣瓶分別進(jìn)行外部光激勵和內(nèi)部熱水激勵的紅外檢測方法，試驗(yàn)結(jié)果表明采用氣瓶內(nèi)部熱水激勵的紅外檢測效果良好，更適合復(fù)合材料氣瓶分層缺陷的紅外檢測。張宏鵬等[5-6]利用ANSYS有限元分析法對復(fù)合材料氣瓶分層、裂紋等缺陷進(jìn)行了紅外模擬，研究復(fù)合材料氣瓶分層缺陷不同直徑、深度、厚度對復(fù)合材料氣瓶表面熱像溫度差、熱像對比度的影響規(guī)律。

上述研究主要針對的是金屬內(nèi)膽的復(fù)合材料氣瓶。國外關(guān)于復(fù)合材料的紅外檢測近年來也比較活躍，例如文獻(xiàn)[7]采用改進(jìn)后的脈沖紅外熱像方法對碳纖維復(fù)合材料試樣進(jìn)行無損檢測，研究的復(fù)合材料試樣為VARTM，缺陷類型為Teflon貼膜分層，設(shè)置不同深度和不同大小的多個缺陷進(jìn)行對比，熱激勵方式為閃光燈加熱，紅外相機(jī)拍攝圖像，采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)結(jié)果表明：脈沖紅外檢測方法更適合復(fù)合材料的無損檢測，尤其對于復(fù)合材料中自身高度小和近表面缺陷有一定的檢出效果；但對于尺寸較小的缺陷未能拍攝到清晰的紅外圖像，盡管采用了降噪處理，但圖像質(zhì)量依然有待進(jìn)一步提高。文獻(xiàn)[8]研究了纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料中預(yù)制模擬的分層缺陷在長脈沖熱成像技術(shù)檢測下拍攝到的紅外檢測圖像，通過峰值導(dǎo)數(shù)法得到峰值時間與缺陷深度的關(guān)系。文獻(xiàn)[9-10]通過一系列試驗(yàn)，采用不同紅外熱像方法檢測試驗(yàn)，研究紅外熱像法表征復(fù)合材料中的缺陷、損傷的可檢出性，并將紅外檢測結(jié)果與超聲檢測結(jié)果進(jìn)行了比對。

本文提出采用紅外檢測方法，以分層缺陷為例，對塑料內(nèi)膽纖維纏繞氣瓶內(nèi)持續(xù)提供280 ℉(137.7 ℃)的蒸汽作為熱激勵；對氣瓶進(jìn)行缺陷紅外檢測，并建立基于ABAQUS的有限元分析模型。研究結(jié)果表明，紅外檢測方法對于塑料內(nèi)膽纖維纏繞氣瓶的分層缺陷有很好的檢出效果，并且試驗(yàn)結(jié)果與ABAQUS的有限元計(jì)算結(jié)果最大誤差為16.36%，在實(shí)際工程允許誤差范圍內(nèi)，為后續(xù)基于有限元方法研究含缺陷塑料內(nèi)膽纖維纏繞氣瓶紅外檢測提供借鑒。

1 纏繞層分層區(qū)域紅外檢測試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)對象

本次試驗(yàn)所采用的塑料內(nèi)膽纖維纏繞氣瓶相關(guān)參數(shù)如下：公稱壓力20 MPa，公稱容積90 L，內(nèi)膽材料為聚四氟乙烯，內(nèi)膽厚度10 mm，纏繞層材料為玻璃纖維+固化環(huán)氧樹脂，纏繞層厚度14.5 mm，氣瓶內(nèi)徑300 mm，氣瓶凈重48.1 kg。預(yù)制缺陷為分層缺陷，其尺寸及所處位置如圖1所示。

圖1 分層缺陷尺寸及所處位置

本次試驗(yàn)采用Ti450型紅外熱成像儀，其相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 Ti450型紅外熱成像儀相關(guān)參數(shù)

1.2 試驗(yàn)內(nèi)容

采用蒸汽吹掃臺實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行試驗(yàn)。塑料內(nèi)膽纖維纏繞氣瓶的內(nèi)膽材料為聚四氟乙烯，其熔點(diǎn)為327 ℃，具有優(yōu)良的耐熱、耐寒性能，可在-180～260 ℃范圍內(nèi)長期使用。在氣瓶內(nèi)部持續(xù)供應(yīng)280 ℉(137.7 ℃)蒸汽作為熱激勵源，在外表面對缺陷部位進(jìn)行紅外檢測。同時，考慮到固化環(huán)氧樹脂的耐熱性，通蒸汽時間不宜超過2 min。其他試驗(yàn)參數(shù)見表2[11]。

表2 紅外檢測試驗(yàn)相關(guān)參數(shù)

1.3 試驗(yàn)結(jié)果

按照上述實(shí)驗(yàn)裝置對含分層缺陷塑料內(nèi)膽進(jìn)行紅外檢測試驗(yàn)，分別提取并記錄不同傳熱時間點(diǎn)有分層缺陷處的氣瓶外表面和無缺陷的氣瓶外表面的溫度，并計(jì)算二者的差值。圖2示出通入蒸汽時間分別為1，23，34，45 s時，Ti450型手持紅外熱像儀拍攝的圖片。通入蒸汽1 s時(見圖2(a))，整個氣瓶外表面溫度一致;通入蒸汽23 s時(見圖2(b))，氣瓶外表面開始升溫，分層缺陷依舊不明顯;通入蒸汽34 s時(見圖2(c))，氣瓶外表面開始出現(xiàn)溫差，分層缺陷開始顯現(xiàn);通入蒸汽45 s時(見圖2(d))，氣瓶外表面溫差逐漸增大，分層缺陷處越發(fā)明顯。

試驗(yàn)記錄的相關(guān)數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果見表3。

(a)通入蒸汽1 s (b)通入蒸汽23 s (c)通入蒸汽34 s (d)通入蒸汽45 s

表3 塑料內(nèi)膽纖維纏繞氣瓶分層區(qū)域紅外檢測試驗(yàn)結(jié)果

2 有限元分析方法

2.1 幾何模型及材料參數(shù)

含分層缺陷塑料內(nèi)膽纖維纏繞氣瓶熱傳導(dǎo)有限元模型所需要的幾何尺寸參數(shù)與上述試驗(yàn)中的氣瓶幾何參數(shù)完全一致。內(nèi)膽材料為聚四氟乙烯的塑料，纏繞層材料為玻璃纖維加固化環(huán)氧樹脂。氣瓶內(nèi)預(yù)制缺陷為分層，將分層區(qū)域簡化為沿氣瓶厚度方向深度為2 mm的空氣隔層。相關(guān)材料熱物性參數(shù)如表4所示。

2.2 有限元分析模型

由傳熱學(xué)理論[12]可知，當(dāng)氣瓶的縱向長度遠(yuǎn)大于氣瓶的厚度時，可認(rèn)為氣瓶在內(nèi)部熱源的作用下，主要沿著氣瓶的厚度方向進(jìn)行,并且由于塑料內(nèi)膽纖維纏繞氣瓶是軸對稱結(jié)構(gòu)，本文主要研究含分層缺陷塑料內(nèi)膽纖維纏繞氣瓶在瓶內(nèi)熱源激烈的作用下，熱量在氣瓶厚度方向的傳熱過程。因此，建立含分層缺陷塑料內(nèi)膽纖維纏繞氣瓶縱切面的二維平面有限元模型[5]。

表4 含分層缺陷塑料內(nèi)膽纖維纏繞氣瓶熱物性參數(shù)

2.2.1 設(shè)置分析步

在設(shè)置分析步時，將有限元計(jì)算結(jié)果按照每個時間單位輸出，以方便在ABAQUS后處理時提取不同時間點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果。采用ABAQUS瞬態(tài)傳熱分析模塊，求解不同時間點(diǎn)的氣瓶外表面的溫度。

2.2.2 加載設(shè)定

由于試驗(yàn)過程采用的是蒸汽吹掃的熱激勵方式，并且試驗(yàn)過程不超過2 min，因此，進(jìn)行有限元模擬分析時，可假設(shè)在2 min內(nèi)氣瓶內(nèi)部熱源始終為280 ℉(137.7 ℃)，并且與外界無對流換熱情況[13]。

2.2.3 邊界條件

給定氣瓶內(nèi)部熱激勵溫度，即試驗(yàn)過程中的280 ℉(137.7 ℃)，熱激勵源為蒸汽，并且是從氣瓶內(nèi)部進(jìn)行熱激勵，熱源與氣瓶內(nèi)部直接接觸。設(shè)定初始溫度場，即傳熱之前，設(shè)定氣瓶整體初始溫度以及周圍環(huán)境溫度為20 ℃。設(shè)定氣瓶外表面與空氣的自然對流，空氣自然對流換熱系數(shù)為15 W/(m2·℃)[14]。

2.2.4 網(wǎng)格劃分

采用DCAX4網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算，對缺陷處網(wǎng)格進(jìn)行加密設(shè)定。同時，為了保證有限元計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)，先后劃分網(wǎng)格數(shù)為3 293，3 711，4 163個分別進(jìn)行計(jì)算求解。

3 結(jié)果與討論

圖3為氣瓶在傳熱60 s時的熱流密度云圖，圖4為氣瓶在傳熱60 s時，在厚度方向上的溫度云圖。為了更好地反應(yīng)出氣瓶外表面溫度差云圖，截取不同時間點(diǎn)的氣瓶外表面的溫度云圖，如圖5所示。表5列出有限元計(jì)算結(jié)果的網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)，采取橫向比較，即不同時間點(diǎn)分別進(jìn)行誤差分析，最大誤差為0.25%。表6列出有限元計(jì)算結(jié)果與紅外檢測試驗(yàn)結(jié)果的對比匯總，同樣采取不同時間點(diǎn)的橫向誤差分析對比。由表6可知，有限元計(jì)算結(jié)果關(guān)于各時間點(diǎn)無分層缺陷氣瓶外表面溫度和有分層缺陷氣瓶外表面溫度最大誤差為4.98%，二者溫差最大誤差為16.36%。有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生誤差的原因，主要是塑料內(nèi)膽纖維纏繞氣瓶在內(nèi)部進(jìn)行蒸汽熱激勵時的傳熱過程較復(fù)雜，并且各項(xiàng)與傳熱有關(guān)的參數(shù)(例如空氣的自然對流換熱系數(shù)、復(fù)合材料氣瓶的比熱容和導(dǎo)熱系數(shù))會隨著外界溫度的變化而變化。考慮到傳熱試驗(yàn)過程用時較短，一般在1 min之內(nèi)即可拍攝到理想的紅外檢測圖,因此，在進(jìn)行有限元分析時將上述參數(shù)設(shè)為定值。誤差在實(shí)際工程應(yīng)用的允許誤差范圍內(nèi),證明了有限元計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖3 傳熱60 s時氣瓶熱流密度云圖

圖4 傳熱60 s時氣瓶溫度云圖

圖5 傳熱1，23，34，45 s時氣瓶外表面溫度云圖

表5 有限元計(jì)算結(jié)果的網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)

表6 有限元計(jì)算結(jié)果與紅外檢測試驗(yàn)結(jié)果的對比匯總

4 結(jié)論

本文運(yùn)用ABAQUS有限元分析方法和紅外檢測試驗(yàn)方法，將有限元分析計(jì)算結(jié)果與含分層缺陷塑料內(nèi)膽纖維纏繞氣瓶紅外檢測試驗(yàn)的實(shí)測結(jié)果進(jìn)行了對比。研究結(jié)果表明：有限元分析計(jì)算結(jié)果與紅外檢測試驗(yàn)結(jié)果最大誤差為16.36%，并且有限元計(jì)算進(jìn)行了網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)，結(jié)果表明網(wǎng)格數(shù)量對有限元計(jì)算結(jié)果的最大誤差僅為0.25%，在實(shí)際工程允許誤差范圍內(nèi)，證明了有限元計(jì)算結(jié)果的正確性。通過紅外檢測試驗(yàn)結(jié)果建立了有限元分析模型，為后續(xù)基于有限元方法研究含缺陷塑料內(nèi)膽纖維纏繞氣瓶紅外檢測提供借鑒。