車載復(fù)合材料高壓儲(chǔ)氫氣瓶沖擊損傷數(shù)值模擬研究

董文利* 宋高峰 鄭楊艷

（江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院）

0 引言

高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫瓶常以輕質(zhì)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料為主要承壓材料，該材料具有比強(qiáng)度大、比模量高、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)靈活以及耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，已逐步應(yīng)用在新能源汽車領(lǐng)域，其使用安全性也受到了廣泛重視[1]。

在服役過(guò)程中，氣瓶如突遇碰撞事故或緊急制動(dòng)時(shí)，因外來(lái)物沖擊極易產(chǎn)生損傷，復(fù)合材料的層間強(qiáng)度較低，沖擊敏感性強(qiáng)，表面損傷可能很小，甚至難以觀察，但內(nèi)部和沖擊內(nèi)表面損傷往往較為嚴(yán)重。這種載荷一般集中在局部區(qū)域，若沖擊能量超過(guò)復(fù)合材料沖擊臨界值，將會(huì)出現(xiàn)基體開(kāi)裂、纖維斷裂、層間分離甚至穿透等損傷，雖然一般不會(huì)導(dǎo)致氣瓶立即爆炸，但會(huì)使氣瓶的剛度和強(qiáng)度下降，影響其使用壽命，甚至喪失承載能力[2-4]。根據(jù)hashin 失效準(zhǔn)則研究沖擊前后應(yīng)力變化情況后可知，若纖維層未出現(xiàn)損傷，則氣瓶整體結(jié)構(gòu)在操作壓力下仍舊安全[5]。對(duì)于低速?zèng)_擊，層間分層是氣瓶的主要損傷模式，分層損傷是復(fù)合材料氣瓶結(jié)構(gòu)剩余強(qiáng)度大幅降低的主要原因[6]。相比空載情況，帶內(nèi)壓的復(fù)合材料氣瓶更易產(chǎn)生分層或基體開(kāi)裂，相同沖擊能量下的損傷程度也明顯增大[7-8]，沖擊點(diǎn)凹坑深度以及損傷面積均與沖擊能量呈正比[9]。落錘沖擊試驗(yàn)結(jié)果表明，氣瓶中斷的抗沖擊性能明顯強(qiáng)于筒體和封頭連接處[10]，并且球形沖頭更易發(fā)生壁面穿透[11]。Liao 等[12]基于Puck失效準(zhǔn)則和基于層內(nèi)損傷演化規(guī)律，研究了沖擊載荷下層內(nèi)漸進(jìn)失效、分層和襯套變形引起的能量耗散機(jī)制；Perillo 等[13]同時(shí)考慮了層內(nèi)損傷與分層損傷，并對(duì)筒體與封頭處開(kāi)展了沖擊研究；張永明等[14]改變復(fù)合材料/金屬混雜結(jié)構(gòu)的形式來(lái)提高層合板的沖擊損傷臨界值，從而提高抗沖擊承載能力。現(xiàn)有研究集中在空載或內(nèi)壓載荷較低時(shí)的情況，而缺乏系統(tǒng)的研究沖擊能量和內(nèi)壓較高情況下復(fù)合材料氣瓶的沖擊損傷行為。

針對(duì)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料儲(chǔ)氫氣瓶的低速?zèng)_擊行為，采用有限元方法，建立含內(nèi)壓載荷下的氣瓶沖擊損傷數(shù)值模型，系統(tǒng)地研究沖擊能量和氣瓶?jī)?nèi)壓載荷對(duì)沖擊峰值載荷、損傷面積、損傷尺度以及凹坑深度的影響，探討沖擊損傷臨界值以及分層擴(kuò)展阻力的變化規(guī)律，對(duì)復(fù)合材料氣瓶的沖擊損傷容限設(shè)計(jì)提供可借鑒的理論與應(yīng)用基礎(chǔ)。

1 有限元模型

研究對(duì)象為鋁合金內(nèi)襯T700 碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料全纏繞氣瓶，氣瓶全長(zhǎng)為1 500 mm，內(nèi)徑為376 mm，鋁內(nèi)襯壁厚為3 mm，筒體復(fù)合材料纏繞層總共10 層。封頭段僅為螺旋纏繞，筒體部分纏繞方式為環(huán)向與螺旋交替組合纏繞，順序?yàn)椋轰X合金內(nèi)襯/±90°/±14°/±90°/±14°/±90°，0°方向?yàn)闅馄枯S線方向，90°為氣瓶環(huán)向，其結(jié)構(gòu)可見(jiàn)圖1，材料性能可見(jiàn)表1 和表2。沖頭為球形，直徑為15 mm，沖擊能量為10 ～ 45 J。鋁合金內(nèi)襯與復(fù)合材料層均為三維實(shí)體單位S4R，網(wǎng)格尺寸為0.5 mm，沖頭為剛體，沖頭與沖擊區(qū)域間法向接觸摩擦系數(shù)為0.3。

圖1 氣瓶幾何模型（單位：mm）

表1 復(fù)合材料氣瓶參數(shù)

表2 鋁合金內(nèi)襯材料參數(shù)

2 結(jié)果與討論

2.1 沖擊損傷

2.1.1 沖擊峰值載荷

圖2 所示為復(fù)合材料氣瓶沖擊峰值載荷與內(nèi)壓的關(guān)系曲線。從圖2 可以發(fā)現(xiàn)，沖擊能量越高，峰值載荷越大。沖擊能量相同時(shí)，隨著內(nèi)壓增大，氣瓶沖擊峰值載荷逐步降低，并且峰值載荷的變化可近似分為兩個(gè)階段，當(dāng)內(nèi)壓小于30 MPa 時(shí)，峰值載荷呈緩慢下降，一旦超過(guò)30 MPa，峰值載荷呈急速下降。隨著內(nèi)壓增大，沖擊產(chǎn)生的層內(nèi)損傷范圍和損傷面積逐步增大，而空載（內(nèi)壓為0）的情況下纖維斷裂出現(xiàn)更早，即施加內(nèi)壓后，鋁內(nèi)襯層并不能作為支撐而延遲損傷對(duì)沖擊載荷的影響，氣瓶的沖擊峰值載荷依然取決于纖維纏繞層的損傷程度。

圖2 復(fù)合材料氣瓶沖擊峰值載荷與內(nèi)壓的關(guān)系

2.1.2 損傷面積與尺寸

圖3 為損傷面積隨內(nèi)壓的變化規(guī)律。從圖3 可以看出，在相同的沖擊能量下，內(nèi)壓小于30 MPa 時(shí)，損傷面積隨內(nèi)壓緩慢增大，當(dāng)內(nèi)壓超過(guò)30 MPa 后，損傷面積出現(xiàn)拐點(diǎn)并迅速增大，這點(diǎn)與峰值載荷隨內(nèi)壓的變化規(guī)律類似。圖4 為不同內(nèi)壓沖擊后的纖維纏繞層間損傷尺寸沿氣瓶環(huán)向和軸向的分布規(guī)律。在不同沖擊能量下，內(nèi)壓30 MPa 以下的環(huán)向與軸向損傷寬度均緩慢增加，并且幅度基本保持一致，復(fù)合空載情況下的圓形分層損傷形貌；當(dāng)內(nèi)壓超過(guò)30 MPa 后，損傷寬度迅速增大。內(nèi)壓較低時(shí)，環(huán)向與軸向損傷寬度基本保持一致，這與空載情況下的損傷形貌基本吻合。隨著內(nèi)壓增大，特別是超過(guò)30 MPa 以后，損傷寬度顯著增加，并且環(huán)向?qū)挾却笥谳S向?qū)挾取?/p>

圖3 損傷面積與內(nèi)壓的關(guān)系

圖4 不同內(nèi)壓下沖擊后的纖維纏繞層間損傷尺寸

2.1.3 層內(nèi)損傷

圖5 為內(nèi)壓為30 MPa、沖擊能量為45 J 時(shí)纖維纏繞層環(huán)向沿厚度方向的損傷演化情況。從圖5 可以看出，臨近鋁內(nèi)襯層的纖維層首先出現(xiàn)拉伸損傷，并逐步向整個(gè)纖維纏繞層貫穿，沖頭正下方區(qū)域的拉伸損傷范圍每層逐步縮小，到第8 層時(shí)拉伸損傷消失；壓縮損傷分布于拉伸損傷周圍，損傷范圍沿纖維層向外逐步擴(kuò)大，且主要分布于沖擊表層區(qū)域，這說(shuō)明在內(nèi)壓作用下低速?zèng)_擊更容易產(chǎn)生纖維拉伸損傷。對(duì)比空載情況后可知，隨著內(nèi)壓增大，鋁內(nèi)襯層對(duì)纖維纏繞層的支撐約束作用逐漸減弱。

圖5 部分纖維層損傷演化（p = 30 MPa, E = 45 J）

2.1.4 凹坑深度

圖6 為不同內(nèi)壓下沖擊能量與凹坑深度的關(guān)系。

從圖6 可以看出，隨著沖擊能量增大，凹坑深度均逐步增大，并且隨著沖擊能量增加，凹坑深度增大速度明顯提高，近似呈指數(shù)上升趨勢(shì)。相比空載情況，隨著內(nèi)壓增大，凹坑深度顯著降低。從數(shù)值分析結(jié)果可知，當(dāng)復(fù)合材料損傷模式僅為基體損傷時(shí)，凹坑深度較小，而一旦纖維產(chǎn)生損傷，沖擊點(diǎn)的凹坑深度將會(huì)迅速增大。

圖6 不同內(nèi)壓下沖擊能量與凹坑深度的關(guān)系

2.2 沖擊損傷阻抗

2.2.1 沖擊損傷臨界值

沖擊損傷可以通過(guò)損傷面積、損傷尺寸、凹坑深度等參數(shù)來(lái)表征。雖然凹坑深度是復(fù)合材料沖擊損傷最基本的表征量，能反應(yīng)損傷阻抗變化，但從數(shù)值分析的角度來(lái)說(shuō)，準(zhǔn)確獲得凹坑深度存在一定困難，特別是在內(nèi)壓較高、沖擊能量較低的情況下。鑒于此，本文采用損傷面積來(lái)評(píng)價(jià)氣瓶的沖擊損傷阻抗。

圖7 所示為沖擊能量與損傷面積的關(guān)系，從中可以發(fā)現(xiàn)其存在拐點(diǎn)現(xiàn)象。當(dāng)沖擊能量小于拐點(diǎn)值時(shí)，沖擊損傷對(duì)纖維層抵抗沖擊能力的影響較小，而超過(guò)拐點(diǎn)值時(shí)，纖維與基體已發(fā)生分離現(xiàn)象，基體難以繼續(xù)支撐纖維，纖維層失去整體抗沖擊能力，即沖擊損傷臨界值，反應(yīng)了纖維纏繞層抵抗沖擊的最大能力。從圖上可知，隨著內(nèi)壓增高，拐點(diǎn)出現(xiàn)在沖擊能量為25～35 J 范圍內(nèi)。

圖7 沖擊能量與損傷面積的關(guān)系

2.2.2 分層損傷擴(kuò)展阻力

分層損傷擴(kuò)展阻力是復(fù)合材料抵抗分層損傷擴(kuò)展能力的體現(xiàn)[14]，即單位面積內(nèi)分層損傷所需要的沖擊能量。對(duì)于相同的沖擊能量，阻力越小則損傷面積越大，定義為：

從圖7 可以看出，分層擴(kuò)展阻力近似分為兩個(gè)階段。以內(nèi)壓為70 MPa 為例，R值對(duì)應(yīng)為5.7 ×10-3J/mm2和1.9×10-3J/mm2，第一階段的R值明顯大于第二階段的R值。同時(shí)，隨著氣瓶?jī)?nèi)壓增大，第一階段和第二階段的R值均降低，且降低速度逐漸減小。

圖8 R值與內(nèi)壓的關(guān)系

3 結(jié)論

本文針對(duì)車載復(fù)合材料高壓儲(chǔ)氫氣瓶的低速?zèng)_擊，建立了沖擊損傷數(shù)值模型，從氣瓶可能的承載狀態(tài)出發(fā)，研究了不同沖擊能量和氣瓶?jī)?nèi)壓載荷對(duì)沖擊損傷的影響。

（1）氣瓶所受沖擊峰值載荷以30 MPa 為拐點(diǎn)，當(dāng)內(nèi)壓小于30 MPa 時(shí)，峰值載荷呈緩慢下降，一旦超過(guò)30 MPa，峰值載荷急速下降，內(nèi)壓載荷作用下，沖擊峰值載荷依然取決于纖維纏繞層的損傷程度；同時(shí)，損傷面積的變化規(guī)律與峰值載荷一致。

（2）當(dāng)沖擊能量增大時(shí)，凹坑深度近似呈指數(shù)上升趨勢(shì)，內(nèi)壓增大，凹坑深度顯著降低；在內(nèi)壓作用下，低速?zèng)_擊更易產(chǎn)生纖維拉伸損傷，壓縮損傷主要分布于沖擊表層區(qū)域，僅為基體損傷時(shí)，凹坑深度較小，而一旦纖維損傷發(fā)生，沖擊點(diǎn)的凹坑深度將會(huì)迅速增大。

（3）通過(guò)損傷面積評(píng)價(jià)氣瓶的沖擊損傷阻抗，隨著內(nèi)壓增高，沖擊損傷臨界值處于沖擊能量25～35 J之間；分層擴(kuò)展阻力R分為兩個(gè)階段，第一階段的R值大于第二階段的R值，隨著氣瓶?jī)?nèi)壓增加，第一階段和第二階段的R值均降低，且降低速度逐漸減小。