纤维缠绕金属内衬压力容器的疲劳行为分析 (1).pdf

?一?玻瑞钢学会第十五届全国玻璃钢?复合材料学术年会论文集?年纤维缠绕金属内衬压力容器的疲劳行为分析肖文 刚郭志峰郭丽敏何志华王浩?北京玻璃钢研究设计院?一?摘要?本丈论述了纤维坡烧金属内衬压力容器疲劳寿命的分析和设计技术,并对容器在制造和使用中影响疲劳寿命发挥的 因素进行了总结。应用断裂力学对复合材料压力容器的疲劳行为进行 分析,对保证其在使用中的安全可幸性具有极为重要的意义。关健词?复合材料压 力容器疲劳?前言复合材料压力容器是 由内衬层和复合材料外层组成的。外层 的复合材料层承担着大部分的内压载荷?内衬层主要是在缠绕过程中起“芯模”和“骨架”的作用,工作时起气密性 的作用。根据内衬的承载情况,分为“承载内衬”和“非承载内衬。”目前,复合材料压力容器的金属内衬大都采用整体无焊缝形式,还有一小部分“非承载内衬”仍采用焊接形式。压力容器的破坏形式主要是以在达到一定循环次数后 的疲劳破坏为主。疲劳破坏是指在周期性交变载荷作用下材料发生的破坏行为,它反映了材料经周期应力或应变时的失效过程。复合材料由于与金属材料的结构构造不同,疲劳的机理不同,所表现出来的疲劳现象有很大的不同,一般说来,复合材料的抗疲劳破坏能力比传统的金属材料好的多。因此,金属内衬在循环载荷作用下的疲劳行为是决定复合材料压力容器疲劳寿命的关键。金属内衬在加工和使用过程中,由于种种原因,例如非金属夹渣、气泡、腐蚀坑,锻造和轧制缺陷,焊缝裂纹,表面刻痕等等,都会存在各种形式的裂纹。在交变载荷作用下,表面裂纹会开始扩展,直至穿透整个壁厚,导致内衬渗漏失效。因此,复合材料压力容器的疲 劳行为与裂纹扩展有直接的关系。通过现代检验技术,如无损探伤查明裂纹 的尺寸和几何形状,可以充分估计其使用寿命,建立设计判据。这种把疲劳设计建立在各种裂纹基础上,并考虑裂纹在交变载荷作用下的扩展特性,是保证容器安全工作的重要途径。其次,某些薄壁非承载内衬在工作时,其局部应力已超过屈服极限,在这样高的应力下塑性变形,经一定次数的应变积累后,便会产生疲劳破坏,于是存在着低循环疲劳破坏的问题。?内衬层 的受力分析复合材料压力容器在内压作用下,内衬层处于非常复杂的三向应力状态,即周向应力、轴向应力和径向应力。而且,金属的弹性变形极限远小于复合材料的弹性极限,容器在工作时,内衬应力水平可能超过材料屈服极限,而处于塑性状态。目前,对于厚壁承载内衬常采用的应力控制技术是施加预紧压力法。其施加过程如图?所示。由于缠绕张力的作用,复合材料层中有初始拉应力,金属内衬中有初始压应力。升压时,金属内衬和复合材料分别沿各 自的应力应变曲线上升,达到定型压力时,复合材料和金属内衬处于一定的应力、应变平衡状态。卸压时,内衬应力不能沿原路线返回,而产生一定的残余变形。此时,复合材料层处于拉应力状态,?应拉力内衬层处于压应力的状态。再次施加压力时,金属内衬中的工作应力和应变区域?从?到?将会大大减小。同时,施加预紧压力还是对内衬中的裂纹进行“筛选”的一个过程。裂纹引起构件发生破坏时,其尺寸和构件的应力应变状态之间存在密切的关系,复合材料容器在加压过程中,某些较大尺寸的裂纹将会迅速扩展直至穿透整个壁厚,而使容器渗漏失效。定里压力工作应力区?断裂力学在疲劳分析中的应用与大多数金属结构件的疲劳行为类似,金属内衬在交变载荷作用下,可以观察到单一主裂纹有规律的扩展现象,这一主裂纹控制着最终的疲劳破坏。断裂力学认为,当带有宏观裂应压力图?内衬受内状态纹的材料或构件受到外力作用时,裂纹尖端附近的区域就产生应力应变集中效应。当此区域的应力应变高到一定程度,超过材料的负荷极限时,裂纹便迅速扩展?称为失稳扩展?,并构成整个材料或构件在低应力状态下发生脆性断裂。至于裂纹尖端区域的应力应变究竟达到何种程度,裂纹便迅速扩展,目前,主要有两种判断准则,即基于线弹性断裂力学判据和基于弹塑性断裂力学判据。?线弹性断裂力学是将材料当作理想的线弹性体,其基本的断裂判据为?。?,式中?。为裂纹尖端的应力强度因子,?为材料的断裂韧性。应力强度因子?。与裂纹体的形状和裂纹的尺寸及方向?所加载荷的大小和作用方向?在边界力的主矢量和主矩不为零时还与材料的泊松比有关。材料的断裂韧性?要通过试验来确定,它与材料的化学成分、冶炼及热处理工艺、常规的力学性能及测试的条件?如温度?有关。通常高强度、超高强度钢的断裂韧性?要低于低强度合金钢,这也是使用高强度钢对于抗疲劳性能并未改善的原因。线弹性断裂力学一般适用于裂纹尖端附近不发生塑性变形或塑性区很小的情况。对于韧性较好的材料,就不再适用了。?弹塑性断裂力学常用 的断裂判据是裂纹张开位移?法和形变功?积分?法。?表明裂纹受力后张开的位移量。通常是用裂纹尖端张开位移的临界值判断材料断裂韧性值,即?氏。裂纹张开位移?的与裂纹的形状、受力状态、材料的特性有关,其一般表达?、产?山、,、一,?“?、,?一“?,二 二,、,?“,?一、?,?,?式为?专 芒竺,式中?为表面裂纹的深度?为弹性模量。氏与?二的意义类似,属于材料的性?矽一?口”?一?刁?四?一?一?一一沉?“吮刁?“?必?认 月?曰”,“?协能参数。?积分避开了直接计算在裂纹尖端附近复杂的弹塑性变形场,可直接表示弹塑性裂纹鉴定应变集中特征的平均参量。利用?积分可以对裂纹尖端应力场进行分析,尤其是可以用有限元法进行计算。?积分的判据为?。?也属于材料的性能参数。通过断裂力学判据的应用,便可建立合适的断裂安全判据,进行断裂强度分析。许多国家?已经将用断裂力学判据来评定复合材料容器内衬中容许裂纹尺寸的方法写人了相关的标准中。断裂力学还可以应用于合理的选材、改进材质与制造、操作工艺、估算疲劳寿命、确定检修日期等方面。?疲劳寿命的估算疲劳寿命是衡量复合材料压力容器安全可靠使用的一项重要指标。因此,对容器的疲劳寿命进行估算显得尤为重要。由于金属承载内衬和非承载内衬的工作状态不同,其计算方法也存在一定差异。下面对断裂力学和?公式用于估算疲劳寿命的方法作一下介绍。?断裂力学法纤维缠绕厚壁金属内衬压力容器 的疲劳寿命可以通过裂纹在内衬层中的扩展过程来进行计算。内衬体中存在的表面裂纹的临界尺寸可以通过下式计算。几二?。一?式中,?为定型压力下,内衬应力?为与材料、壁厚、应力状态有关的系数,。?为材料的断裂抗力?为表面裂纹深度?为裂纹形状因子。通过上式便可以计算出过筛表面裂纹的深度?。下一步便是通过该裂纹的扩展速率来确定疲劳寿命。工程上研究裂纹扩展速率主要是采用?“卜?!的经验公式?佘?“式中?为表面裂纹深度?为循环次数?,?为常数,取决于材料和外加循环应力?为每次循环中应力强度因子的变化幅度。对于深表面裂纹的压力容器,需考虑器壁曲面上的鼓胀效应的影响,则,二?檐?式中?为应力强度因子?修正系数?。为内衬应力?为表面裂纹深度?为裂纹形状因子?为鼓胀效应系数。因为裂纹深度?、裂纹形状因子?等参数会随着裂纹的扩展而发生变化,所以在计算常将内衬壁厚划分为若干小单元,采用积分的方法计算循环寿命。?公式对于具有薄壁非承载金属内衬的压力容器,在工作压力下内衬层局部常处于塑性状态,象上述断裂力学的方法已不再适用。此时,采用?公式进行估算。二?,?。?一甲?那?式中。为最高、最低循环压力下的主应变差?几为内衬材料的抗拉强度?为内衬材料的杨氏模量?尹为材料断面收缩率?,?,?,?为经验常数,通过试验来确定。?公式在解决薄壁内衬疲劳寿命的估算问题上具有很好的适用性,已被广泛采用。?疲劳寿命的影响因素复合材料压力容器由于结构 的复杂性和特殊性,影响疲劳寿命的因素很多。?过渡区域过渡区域是指内衬接嘴底盘向封头过渡的区域。因为该区域内衬厚度变化较为明显且与复合材料层的协调较为复杂,所以该区域通常是应变高峰区域。如果不经过合理的设计和制?作,该区域的应变将达到筒身区域应变值的?一?倍,有的复合材料压力容器在经过几次循环后,甚至在定型过程中便出现渗漏,也是这一原因造成的。因此,该区域又称为复合材料容器的“疲劳敏感区”。研究发现,几何形状及内衬与复合材料的协调关系是影响该区域疲劳性能的主要因素?几何形状?过渡区域的疲劳寿命受几何形状的影响非常大。不同的内衬结构形式,其疲劳寿命相去甚远。适当改进内衬结构,对改善内衬受力状态,提高容器的疲劳寿命具有很大的作用。?内衬与复合材料的协调关系?内衬在工作状态下除了承受双向平面应力作用外,还要承受法向压应力。正是在法向压应力的作用下,内衬层与复合材料层紧密结合成一个整体,共同承担内压载荷的作用。如果内衬和复合材料层间存在相对滑动,将会大大提高内衬的局部应变。为了保证内衬和复合材料层的等形变要求,常采用在层间加入高剪切强度的胶膜,来实现疲劳敏感内衬与复合材料的粘结。?缠绕工艺过程?在缠绕过程中,由于纤维的交叉排列,会形成一定的“架空”现象,使纤维与内衬在某些部位不能很好的贴合。容器受压时,在内压作用下,内衬被挤人到”架空”部位,造成内衬局部应变过大。总之,过渡区域是影响整个复合材料气瓶疲劳寿命的关键区域,采取合理的内衬结构、适当增加壁厚和必要 的工艺措施,对于改善疲劳性能具有积极的作用。?焊接区域焊接对复合材料压力容器疲劳寿命的影响主要有以下几个方面?焊缝造成局部应力集中。由于焊缝的存在造成的局部峰值常比设计应力值大好几倍,尤其是未焊透的焊缝更大。?焊接造成热影响区。焊接的过程中,在热的作用下,焊缝两侧本体材料的模量、强度及延展性都将受到影响,称为“热影响区”。试验发现,该区域也是疲劳敏感区,如果不经过合理设计,疲劳裂纹也常在该区域发生。?残余应力。焊接过程中造成的残余应力是压力容器疲劳破坏的一大隐患,如果不进行处理,常造成容器的低应力失效。?焊接质量。在焊接过程中,由于制品表面冷热区域交替的影响,常会发生焊道局部翘曲变形及搭接不严的现象。其结果是,在工作压力下,该区域将产生附加的弯曲应力。在弯曲应力作用下,疲劳寿命将显著降低。另外,焊缝中的气孔、杂质、微裂纹等也是影响容器疲劳性能的因素。针对以上的影响因素,常采用焊缝区域局部加厚、电子束焊接、合理的热处理等措施,以降低焊缝的应力水平、减少热影响区的危害、消弱翘曲变形及搭接不严等不利因素的影响。只要对焊接过程进行合理设计,并且对焊缝进行严格的无损检测,焊缝区域的影响一般会做到小于过渡区域的影响。?材料局部缺陷在复合材料压力容器中,内衬层在成型过程中常产生划伤、蚀痕等表面裂纹,以及焊缝中的夹渣、气孔等深埋裂纹。这些裂纹都将对容器的疲劳寿命起到不利的影响。内衬层中裂纹有的是不能用肉眼来观测的,因此,内衬需要经过无损检测,气密性检验等排除较大缺陷后方可使用。?复合材料容器成型后,要经过一定压力的定型和水压检验试验,试验压力从?倍到?倍不等。其目的主要是,一方面使内衬承受预压力,改善内衬层的工作状态?另一方面可以检测出内衬层中存在的较大缺陷。然而,如果该过程控制不好,极有可能使小裂纹加速扩展生成新的致命裂纹。因此,在对容器进行水压检验或定型试验时,应当注意以下几点?定型试验压力下持续时间不要太长,一般为?一?水检试验反复次数不要过多,否则将加重内衬的塑性应变积累,降低疲劳寿命。?其它影响因素在纤维缠绕金属内衬压力容器疲劳寿命影响因素中,除了上述几个方面外,还有以下几点不容忽视?内衬失稳。该类容器内衬壁厚一般较小,承受外压能力较弱,所以在缠绕时纤维张力过大或固化时复合材料收缩较为严重的外压作用下,内衬极易出现局部塌陷的失稳现象。在内压力作用下,随之而来的是塌陷边缘出现弯曲应力的作用。在附加弯曲循环应力作用下,大大加快了内衬的失效过程。?局部褶皱。在复合材料压力容器成型过程中,常常出现内衬和复合材料层局部分层的现象,在打压过程中,富裕的金属内衬将会出现局部褶皱现象。褶皱不但导致附加弯曲应力的产生而且限制了内衬应力、应变的传递,极易造成内衬低循环失效。影响复合材料压力容器疲劳寿命的因素还有很多,如腐蚀应力、交变温差应力等的影响更加复杂。?结束语复合材料压力容器的疲劳寿命的分析和计算是一个非常复杂的系统过程。采用断裂力学的分析方法对指导设计中的合理选材、改进制造工艺、确定检修周期和估算疲劳寿命等具有积极的作用,对保证复合材料压力容器安全可靠的运行具有极为重要 的意义。同时,在设计和制作过程中尽量消除不利因素的影响,可以大大提高容器的循环寿命。因此,只要不断探索一定可以使复合材料压力容器的疲劳间题达到满意的效果。参考文献?山?创。?目?甲?诫?朋?卿,?户?一?一?司日?即。?因护?四园?。训?以山?件?以?而?一?一?!?山?眼?耐?朋?】?面?枷?、?一?苏玉堂一种军用高压玻瑞钢压力容器的研制?第五届全国玻确钢?复合材料年会论文集,北京?王心明?工程压力容器设计与计算?国防工业 出版社,?们?再?田旧代万?公粥?双?公粥?创压江?孤?!?!#%&%?()#&?+,#.#?/0%12#.&?3?.4&44#56加坛a Ct:T hisP a衅rpr es entsthef atiguea na l ysisa nd de signte chniques ofc omP Ositepre s-sur eve ss e l swith meta l l inersa nd dis cuss esthedi sa dva ntage ous阮t orf orf ati gueuf e.lt5i m妙r-ta nt to esta bl lshthef ra ctur e me chanies ana lysisf orthe sa f euse ofthepr essur evess e ls.旋介叮山:com即sitespressur eve sselsf ati gue45