碳纖維纏繞鋁內膽壓力容器水壓動力爆破仿真分析

鮑辛成 鮑性磊

（1.肥城礦業集團單縣能源有限責任公司；2.重慶賽迪熱工環保工程技術有限公司）

20世紀60年代初，美國和歐洲一些國家采用纖維纏繞技術成功研制鋁內膽玻璃纖維全纏繞復合材料容器，復合材料容器有很多優點，因此在消防呼吸器、醫療衛生及煤礦安全救護等行業應用廣泛。壓力容器的工作條件惡劣，容易因違章操作、安全附件失靈、容器內異常化學反應、強度不足及材質劣化等原因發生嚴重事故［1］，因此在容器生產時必須進行抽檢水壓爆破實驗，以確定容器的爆破壓力。然而，由于實驗成本較高，且存在很大的隨機性，尋求準確可靠的爆破壓力求解方法，為容器生產提供可靠的安全系數很有必要。

碳纖維纏繞壓力容器在幾何形狀、材料及結構等方面都非常復雜，復合材料層合板結構的破壞歷程是一個逐步破壞和剛度不斷退化的過程，僅靠理論分析不能準確求得容器的爆破壓力，無法滿足空間系統對壓力容器高可靠性、高性能的要求［2］。此時，數值模擬方法在碳纖維纏繞壓力容器中的應用給碳纖維纏繞壓力容器的深入研究提供了有力的手段，同時構建起了理論指導實踐的橋梁［3，4］。

1 LS-DYNA程序簡介

LS-DYNA是功能齊全的幾何非線性、材料非線性、界面狀態非線性的有限元數值計算軟件。它以Lagrange算法為主，兼有ALE和Euler算法；以結構分析為主，兼有熱分析、流固耦合功能；以非線性為主，兼有靜力分析功能。目前，該軟件在航空航天、汽車、國防、石油、核工業、電子、船舶、建筑及體育器材等領域都獲得了廣泛的應用。

軟件的使用過程包括：

a.前處理。前處理用ANSYS來完成，主要包括設置Preference選項、選擇單元類型和算法、定義實常數、定義材料屬性、構建實體模型、有限元網格劃分、創建PART及定義接觸截面等。

b.求解。求解過程主要包括施加約束、載荷、邊界條件，設定初速度、設置求解過程的控制參數、選擇輸出文件和輸出時間間隔、輸出K文件、調用LS-DYNA進行求解。

c.后處理。進入LS-PREPOST進行應力、應變、位移及時間歷程曲線等后處理［5］。

2 數值模擬

2.1 計算模型

某公司生產的碳纖維纏繞鋁內膽壓力容器是一款在醫療行業常用的呼吸氣瓶，其碳纖維復合材料纏繞容器采用的T700碳纖維/環氧樹脂復合材料。該材料的性能參數如下：

彈性模量Ex154 000 MPa

彈性模量Ey11 400 MPa

彈性模量Ez11 400 MPa

泊松比Vxy0.33

泊松比Vyz0.49

泊松比Vxz0.49

剪切模量Gxy7 090 MPa

剪切模量Gyz3 790 MPa

剪切模量Gxz7 090 MPa

縱向拉伸強度Xt2 405 MPa

縱向壓縮強度Xc1 800 MPa

橫向拉伸強度Yt65 MPa

橫向壓縮強度Yc205 MPa

面內剪切強度S 104 MPa

碳纖維復合材料纏繞容器鋁內膽選用6061鋁，該材料彈性模量為68.9 GPa，屈服強度為298 MPa。復合材料的鋪層分8層，其鋪層方式為［±12.5/±89.225/±24.04/±89.225］。設計容量2.0 L、設計工作壓力20 MPa、試驗壓力33.3 MPa、爆破壓力68 MPa，設計符合美國DOT-CFFC標準。有限元計算建立全模型，對瓶口施加三維位移約束，荷載施加模擬容器水壓動力爆破實驗采用線性加壓，5 s加至100 MPa完成容器爆破。計算模型如圖1所示。

圖1 碳纖維復合材料纏繞容器計算模型

2.2 材料破壞準則

碳纖維復合材料纏繞容器鋁內膽材料選用24#多線性彈塑性材料模型，即*MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICYTY。復合材料層選用LS-DYNA3D中的MAT054，即MAT_ENHANCED_COMPOSITE_DAMAGE材料模型。該模型適用于各向異性復合材料殼單元的模擬。材料的破壞準則采用Chang-Chang失效準則，對于壓縮載荷的處理參考文獻［6］。

MAT 054材料模型中，材料有4種失效方式［7］：

a.當最大應變值未設定時，根據Chang-Chang準則判斷失效；

b.當設置了最大應變值時，根據最大應變值判斷失效；

c.當設置了最大等效應變值時，根據最大等效應變值判斷失效；

d.當設置了最小時間步長時，達到最小時間步長的單元失效。

采用第1種失效方式，即根據Chang-Chang準則判斷失效。Chang-Chang準則描述如下：

式中 S——剪切強度；

X——軸向強度；

Y——橫向強度；

σ——正應力；

τ——剪應力；

下角標 c——壓縮；

t——拉伸；

1、2——沿纖維軸向和垂直于纖維軸向（環向）。

2.3 計算結果

經過LS-DYNA計算，容器在3.855 s發生破壞，因此容器的爆破壓力值為77.1 MPa，比設計爆破壓力大13.4%，由爆破狀態、單元的應力等分析認為此爆破壓力數值比較可靠。該時刻的容器應力云圖如圖2所示。

圖3給出最先失效的復合材料單元和鋁單元位置（均出現在筒身位置中間段），說明容器設計爆破位置符合規范要求。由單元S51480各層材料第1主應力σ1隨時間變化曲線（圖4）可知環向纏繞層C、D、G、H率先達到失效強度既認定單元失效，同時可以看出此時的螺旋纏繞層A、B、E、F尚未達到失效強度，應力繼續增加直至達到強度極限，單元失效。由模擬計算結果可知，容器爆破時纖維先行失效，鋁內膽在外層纖維失效時表面壓力有突變，所以應力曲線有突然劇烈變化，隨后達到失效強度而失效，模擬計算結果與實際受力破壞情況相符。

圖3 容器水壓爆破時最先失效shell單元S51480位置

圖4 單元S51480各層材料第1主應力σ1隨時間變化曲線

圖5、6分別為容器數值模擬爆破后狀態和容器實驗爆破后狀態，兩者比較可見破壞形態較為相似，可判定模擬結果較為成功。

圖5 容器數值模擬爆破后狀態

圖6 容器實驗爆破后狀態

3 結論

3.1 通過計算結果可以看出容器爆破壓力值為77.1 MPa，與設計爆破壓力相比大13.4%，數值非常可靠，因此，得到了一種通過有限元數值模擬計算復合材料容器結構爆破壓力值的有效方法。

3.2 由數值模擬結果可知，碳纖維纏繞鋁內膽壓力容器復合材料增強層先于金屬內膽發生破壞，容器最先爆破位置位于筒身段。在復合材料層逐層破壞的進程中，環向纏繞層先于螺旋纏繞層發生破壞。