航天复合材料压力容器研制技术

分析了航天复合材料压力容器技术指标特点。提出了容器金属内衬、增强纤维和树脂基体的选材要求。讨论了金属内衬全金属承压区、薄膜区、封头过渡区、封头/筒体界面、焊接区的结构设计方法,以及圆柱形、球形、近球形、椭球形、环形、锥形容器纤维缠绕复合材料壳体结构特点。简述了结构设计算法,以及包括疲劳寿命、应力断裂寿命、爆破前先泄漏(LBB)安全失效模式等容器安全设计的分析和试验方法。     

碳纤维外缠绕的轻质纤维/金属压力容器

最近研制的轻质纤维/金属复合材料压力容器用的高强度碳纤维已通过了试验鉴定。对碳纤维性能、小试验气瓶性能、圆筒体性能、球体性能和低温贮箱性能等也进行了测量。试验结果与金属压力容器及其它纤维/金属压力容器结构进行了比较。碳纤维/金属圆筒压力容器和球形压力容器与以前性能最好的凯夫拉49/金属复合材料结构相比,其实际性能提高23％以上。     

碳纤维缠绕复合气瓶的有限元数值分析

在仅考虑内压作用下,参考DOTCFFC标准对碳纤维缠绕压力容器在不同工况的应力、应变分布进行了有限元数值模拟研究。采用MSC.Marc大型有限元程序建立纤维缠绕复合材料气瓶的有限元模型,建模过程中将纤维缠绕层视为复合材料层合板处理,并对封头处缠绕层厚度及缠绕角进行简化处理。通过有限元数值计算,确定了气瓶的最佳预紧压力。计算中考虑了纵向缠绕角的变化在爆破压力下对气瓶的影响。数值计算结果表明:气瓶的应变以瓶身中部和肩部两侧的环向处应变最大,而气瓶肩部的变形并不明显。通过气瓶承受内压爆破试验的实验验证与数值计算结果基本符合,表明模型的简化和建立是合理可行的。研究结果为复合材料气瓶的优化设计提供了理论依据。     

纤维缠绕复合材料压力容器残余应力对强度的影响

本文介绍考虑残余应力σ_i~R 时纤维缠绕复合材料压力容器的强度计算方法.使用该方法计算了考虑和不考虑残余应力σ_i~R 时容器的爆破压力 P_c 和 P_(c').计算值与实测值比较后发现,残余应力对容器强度的影响是不可忽视的.     

石墨/环氧凯夫拉49纤维/环氧及混杂纤维复合材料的复合应力特性

为了表征纤维/环氧复合材料在复合应力作用下的力学性能,进行了一项实验研究。试样有两种:圆管和带有封头的圆筒形压力容器。它们均采用螺旋/环向(±α,90°)缠绕成型。本研究还分别对AS_4石墨纤维、凯夫拉纤维以及这两种混杂纤维/环氧迭层材料进行了试验。为了测定材料平面内力学性能,圆管试样承受了内压和超轴向载荷的作用。在与圆管试样对应的内压下,对压力容器也进行了试验,然后再做爆破试验以确定材料的极限强度。为了表征材料的时间相关特性,对试样进行了室温蠕变和回复试验。     

树脂含量对芳纶纤维/环氧复合材料性能的影响

研究了树脂含量对芳纶纤维／环氧复合材料的性能的影响，主要是浸胶纤维强度，压力容器中纤维强度的发挥系数，容器特性系数pV/Wc。给出了按混合定律计算复合材料强度的修正系数，提出了对容器进行表面处理以改善其内外层含胶量的均匀度，并进行了实验，实验证明，容器内外层树脂含量分布更为均匀，容器的性能得到提高。     

玻璃纤维/环氧树脂压力容器的十年环境试验

本文讨论的复合材料压力容器是以铝作衬层、玻璃纤维增强、环氧树脂作胶粘剂的贮罐。这种复合材料容器的主要特点是重量轻。为了评估这种容器的长期性能,美国国家航空和航天局约翰逊空间中心(NASA JSC)购买了大约30个容器用作长期环境试验,试验由航空和航天局刘易斯研究中心(LeRC)负责进行。容器在加压条件下,在室外环境存放10年,在此期间,对容器定期进行循环和爆破试验。复合材料未涂保护层。环境试验的结果表明,压力容器的强度明显降低。同样的压力容器在室内存放,几乎没有强度损失。本文包括:容器的介绍,试验计划的讨论,每个容器的数据,相应的图表,并进行比较,最后给出结论。     

纤维缠绕压力容器的爆破强度研究

本文采用纤维缠绕管状试件测试的基本性能常数和引进的退化系数(实验已测出了退化系数),用层合板理论研究了纤维缠绕压力容器的爆破强度,理论计算与实验结果比较表明,计算的容器爆破压力与实测的爆破压力,其相对误差不超过5%。     

PBO纤维复合材料探索研究

简要概述了PBO纤维及其复合材料的应用，分别进行了PBO纤维／环氧复合材料干法、湿法缠绕成型的NOL环性能试验分析，并采用电晕表面处理方法对NOL环进行了试验研究；选用干法缠绕成型工艺进行了Ф150mm压力容器试验，初步结果表明，电晕处理效果不明显；Ф150mm压力容器的pV/Wc可达47．55km。     

具有衬里的纤维缠绕压力容器分析

给出了具有衬里的纤维缠绕压力容器纤维厚度的设计计算方法。当容器的结构一定时，给出了确定爆破压强的方法。     

热塑性树脂纤维缠绕成型工艺

热塑性树脂具有良好的力学性能和电性能它的耐热性和韧性明显优于环氧树脂等热固性树脂,具有很广的应用前途,纤维缠绕原地固结工艺是最适于热塑性树脂纤维缠绕的一种复合材料成型工艺,它无需在固化炉或热压罐中固结,在性能和成本上均有较大优点,本文介绍了热塑性树脂的热熔浸渍、混编浸渍、纤维缠绕原地固结工艺和发展情况。     

热塑性树脂基复合材料及其纤维缠绕工艺

文章叙述了高性能热塑性树脂及其复合材料的物理力学性能,并简述了纤维缠绕工艺方法。     

F－12芳纶纤维缠绕壳体水压实验AE检测及剩余强度预报

采用声发射仪，对Ｆ－１２芳纶纤维缠绕复合材料壳体水压实验过程进行了低压ＡＥ检测，选用设计爆破压强的４３％以下的ＡＥ数据，建立了一个低压下的ＡＥ参量与爆玻压力之间的多元线性回归方程式。该方程式对壳体爆破压力的预测值与实测值符合较好，从而为降低复合材料壳体水压安全评定实验压强提供了新途径。它既保证了经过水压实验后的复合材料壳体有足够的承载能力，又能可靠地预报其爆破压强。     

封头补强技术研究

研究了碳纤维／环氧复合材料φ１５０ｍｍ和φ４８０ｍｍ压力容器封头的局部补强方法和工艺，试验结果表明：φ４８０ｍｍ压力容器经在大金属件边缘补强后改变了水压爆破时金属件飞出的现象，纤维强度得以充分发挥而使筒身段纵环向同时破坏；φ１５０ｍｍ压力容器的应力平衡系数可由０．７５提高到０．８５以上，筒身段纵向纤维发挥强度由２０９０ＭＰａ提高到２３３６ＭＰａ，提高约１１．８％。由此可见，壳体铺层设计与封头补强巧妙地结合是壳体优化设计的重要方法，是充分发挥纵向纤维强度的有效措施。     

纤维缠绕压力容器结构有限元分析技术

针对纤维缠绕压力容器设计的特点，讨论了纤维缠绕压力容器结构的有限元分析(FEA)技术。简要介绍了纤维缠绕压力容器结构的有限元分析过程和常用软件，重点论述了有限元分析的能力、可靠性、效率和费用等内容，并指出了它的应用前景。     

热塑性树脂基复合材料及其纤维缠绕工艺

文章叙述了高性能热塑性树脂及其复合材料的物理力学性能，并简述了纤维缠绕工艺方法。     

F—12芳纶纤维缠绕壳体水压实验AE检测及剩余强度预报

采用声发射仪，对Ｆ－１２芳纶纤维缠绕复合材料壳体火压实验过程进行了低压ＡＥ检测，选用设计爆破压强的４３％以下的ＡＥ数据，建立了一个低压下的Ａ量与爆破压力之间的多元线性回归方程式。该方程式对壳体爆破压力的预测值与实测值符合较好，从而为降低复合材料壳体水压安全评定实验压强提供了新途径。它既保证了经过水压实验后的复合材料壳体有足够的承载能力，又能可靠地预报其爆破压强。     

航天飞行器用的低成本高性能纤维/金属复合容器

介绍了纤维缠绕复合筒形和近球形压力容器,讨论了低成本、高性能金属内衬和纤维外缠工艺的进展,比较了压力容器的性能,详细叙述了用于未来航天飞行器容器的可能性。     

纤维缠绕圆环压力容器设计分析

基于网格理论,得到了纤维缠绕圆环压力容器在内压作用下的平衡方程。求解方程,得均衡缠绕角和纤维厚度都是平行圆半径R的减函数,即圆环外缘最小;纤维应力是R的增函数,即圆环外缘最大。利用最大应力强度准则,得到了单一螺旋缠绕及螺旋加环向缠绕圆环压力容器爆破压强的计算式。为了使计算的爆破压强与实际结果相符合,纤维发挥强度的选取必须由模拟试验确定。     

一种高性能环氧树脂体系

在某型号高压容器研制过程中，通过实验对比研制出了一种高强高韧的环氧树脂体系。该体系可以用于纤维缠绕、RTM、真空浇注、纤维模压、纤维喷射成型等复合材料生产工艺。尤其应用在纤维缠绕内压容器型复合材料结构件上，其性能显得更为突出。