纤维缠绕热塑性树脂基压力容器

本文讨论了耐高温热塑性树脂/碳纤维压力容器的缠绕成型工艺。对ASTMD—2585压力容器的制造设备及设计参数进行了描述。通过水压爆破试验,对环氧/碳纤维和热塑性基体/碳纤维二种复合材料的性能进行了比较,得到了水压爆破的试验数据,包括爆破压力、复合材料和纤维的拉伸强度以及容器的特性系数(PV/W)。另外,对纤维缠绕复合材料的固结成型以及容器的显微照片进行了研究和讨论。     

纤维缠绕复合材料及混杂复合材料的双轴力学性能

本文对碳纤维(CF),Kevlar 49纤维(KF),玻璃纤维(GF)及其层内混杂复合材料压力容器的成型工艺和双轴力学性能进行了试验研究。对容器在内压作用下因刚度退化所引起的非线性应力应变行为,用逐步线性刚度退化理论进行拟合,所得理论值和实验结果相当吻合。水压试验和应变测试表明,在KF压力容器中加入CF,并使强度基本不变的前提下,可明显提高容器的刚度,基体的开裂强度有可能提高近3倍。若CF—GF层内混杂,则表现出较大的负混杂效应。     

预应力复合材料压力容器的疲劳性能

本文介绍的预应力复合材料压力容器,内层为钛合金(Ti6 A14V)、外层为Kevlar—49缠绕的球形容器,是用来承受循环内压的空间压力容器。文中介绍了法德广播电视卫星TDFI/TVSAT計划所用的贮氦先进高压球形贮箱的疲劳性能数据,并讨论其金属衬层的疲劳性质和破坏形式。估計这种压力容器的剩余疲劳强度大约为8000次使用压力循环。     

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.     

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。     

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。     

碳纤维环氧压力容器封头加强研究

本文提出用环向缠绕的复合材料垫片对封头进行局部加强,使发动机在圆筒段的螺旋/环向设计应力比提高,最大限度地降低螺旋层材料重量,使压力容器的PV/W值达到最大。本文对最佳封头垫片的加强技术进行了研究和验证。利用试验容器和有限元模型,比较了封头加强的许多方法,得到了最能提高封头强度的加强形式。试验表明,采用这些加强方法封头强度可比未加强的提高17％,而重量增加极小。     

凯夫拉—环氧树脂压力容器在室温和高温下的静态疲劳寿命

本文讨论了50台把凯夫拉-环氧树脂作为壳体基体材料的纤维压力容器的实验情况。1978年以来,在室温条件下对15台球形容器进行了连续加压实验,壳体均没有破坏。另外也叙述了目前正在进行的175℉和200℉下其它壳体试验的一些情况。实验温度高于200℉的20台容器已进行了爆破试验,通过把容器加压到室温下实际平均爆破压力的一半,然后持续置于250℉的环境中,测得球形容器使用寿命为19—31小时,圆筒容器为48—160小时。虽然目前尚不清楚静态疲劳寿命随容器的形状而明显不同的原因,然而本文对所观察到的这种特性提出了一项假设。     

玻璃纤维树脂增强压力容器的三心圆封头的强度和变形——环半径/圆筒直径比对于球半径与圆筒直径相等的封头之影响

我们做了6台带有三心圆封头的玻璃纤维树脂增强圆筒压力容器的破坏试验。各容器的标称厚度与直径之比为0.01,封头的球半径和圆筒的直径都是1米。环半径有三种尺寸,分别为0.29、0.19和0.1米,相对应的封头高度分别是0.32、0.25和0.19米(每种尺寸的容器各做了两台试验)。把试验结果同现行的英国国家设计标准(BS4994)以及根据弹性应力分析运用计算机所求得的预测值(BOSOR4),进行了比较,完全证明了最大应力和应变是随环半径的减小而增加的。另外还发现:由于三心圆封头玻璃纤维树脂增强圆筒压力容器(GRP)的高弹应变,封头在压力作用下几何形状的变化对极限强度有很大的影响,再加上壁厚的局部增加,使得封头有所加强,以致在所试验的6台容器中,仅有3台的破坏发生在三心圆封头上。     

复合材料宇航压力容器损伤破坏研究的进展

本文简要介绍了纤维增强复合材料损伤研究及其宇航压力容器损伤破坏研究的现状,着重介绍了复合材料结构损伤力学和无损检测的研究情况,并提出了其设计,工艺、运输、存放及实验中应注意的某些关键问题。     

预估宇航压力容器脆性破坏的一种方法

本文考虑到宇航压力容器的构成和使用特点:即对裂纹、应力腐蚀或氢损伤等的敏感性及损伤在特定的应力和环境下具有发展的特性,就宇航压力容器脆性破坏的预估问题进行了探讨。根据容器中可能存有损伤的假设,提出了容伤模量的概念,用以描述容器的损伤容限。鉴于容器的脆性破坏多发生于水压验证试验中,本文给出了使用容伤模量确定水压验证压强的公式,并认为用验证压强预估容器的脆性破坏是可行的。     

环境湿度对复合材料性能的影响

本文对环氧—玻璃纤维复合材料的吸水过程及其对复合材料抗拉强度的影响,根据树脂中固化剂的种类分别作了研究。在25℃到90℃蒸汽中(0%RH—100%RH)进行的各种试验表明,用扩散定律能正确预计出以二胺和以双氰胺为固化剂的复合材料的吸水情况。通过对三种复合材料的拉伸强度所作的研究清楚地表明,复合材料在湿度接近60—70%RH 时就开始出现初步损伤。本文明确示出,无论是在蒸汽中还是在液体中,复合材料的这种损伤与吸水量没有直接的关系,而主要取决于环境温度和超过极限浓度值以后的储存时间。本文根据一个采用玻璃布的简化模型建立了一套预计损伤的“外推”方法。本文还表明,仅仅使用沸水试验的方法并不能确定复合材料在较低温度下的真实形态。     

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。     

高压容器结构设计及强度计算

本文根据现行 GB150—89《钢制压力容器》及笔者十余年设计压力容器的经验,并参考相关资料,对钢制高压容器两种典型的简体结构形式进行了强度计算,并在此基础上对其优、缺点及各自的造价进行了分析,得出了结论。同时,将其在常温下的储气量做了计算并给出了估算放气过程容器中温度降低的计算方法。     

一种卫星推进系统复合材料氦气瓶设计及验证

在忽略内衬的条件下,对一种卫星推进系统复合材料氦气瓶进行了初步设计,并在考虑内衬的情况下,对初步设计的结果进行了详细设计和改进,获得了气瓶的内衬厚度、螺旋纤维和环向纤维厚度及缠绕角等参数。用有限元法对所设计的氦气瓶进行静力学、稳定性和模态分析,并作了完整的鉴定试验。设计和验证结果表明,基于网格理论的复合材料容器设计法可用于空间高压气瓶的设计,用有限元法对气瓶的力学性能进行分析和验证。两者结合,可有效满足复合材料压力容器设计及其分析的工程需求。     

美国航空航天局碳纳米管研究取得重要进展

正2017年5月,美国航空航天局(NASA)研制的碳纳米管复合材料压力容器(COPV)搭乘探空火箭进行试验以测试力学性能。同年,NASA研发的多功能碳纳米管复合材料结构制造工艺开始迈入商业应用阶段。这些进展标志着碳纳米管复合材料航天产品力学结构部件和多功能结构制造技术研究取得重要进展。碳纳米管及其复合材料有望推动航天材料甚至航天器设计、制造和任务能力的变革。     

复合材料容器最佳预压力的研究

具有金属内衬的纤维缠绕复合材料压力容器的承载能力在很大程度上取决于金属内衬的弹性变形范围。根据三维弹塑性理论,并结合强度条件,提出了自增强处理提高金属内衬弹性变形范围的方法,并研究了最佳预压力的求解方法及承载能力的提高情况。结果表明,通过对容器施加预压力,使内衬达到最佳塑性状态,可提高容器的极限承载能力。     

PRD49—Ⅲ/环氧和凯夫拉49环氧复合材料压力容器的老化结果

凯夫拉49/环氧复合材料由于高的比强度,正逐渐用于结构材料。目前已用于三叉戟发动机壳体和航天飞机的各种压力容器。一九七九年我们发表了用凯夫拉49试制品制作的圆筒压力容器的初步老化结果,这种试制纤维称为PRD49—Ⅲ。本文完整地报导了持续十年的老化数据,给出了用凯夫拉19正式产品绕制的球形压力容器老化七年半的数据。     

新型国产芳纶Ⅲ纤维的性能实验研究

测试了7批次新型国产芳纶Ⅲ纤维的复丝拉伸性能,且采用第07批次的芳纶Ⅲ纤维进行缠绕制作了NOL环试样和150 mm试验容器。实验结果表明,第04批、06批、07批芳纶Ⅲ纤维复丝强度平均值达到4 535 MPa以上,弹性模量大于139 GPa,这些性能与Armos(2A)纤维相当,断裂延伸率较Armos(2A)纤维低,约为2.9%~3.3%。芳纶Ⅲ纤维单向复合材料的拉伸性能也与Armos(2A)纤维相当,但层间剪切强度较Armos(2A)纤维低很多,150 mm国产芳纶Ⅲ纤维试验容器性能有高有低,表明芳纶Ⅲ纤维的成型工艺性差,线密度太低且不均匀,另外与树脂浸润性差,层间剪切强度低,有待于进一步优化成型工艺参数。     

纺丝工艺对炭纤维缠绕复合材料强度转化率的影响

通过不同纺丝工艺的聚丙烯腈基炭纤维表面状态、NOL环及Φ150 mm容器的实验研究,分析了不同纺丝工艺对湿法缠绕复合材料聚丙烯腈基炭纤维强度转化率的影响。结果表明,干喷湿纺炭纤维比湿法纺丝Φ150 mm容器环向纤维强度转化率要高出11.9%~15.4%,湿法纺丝的炭纤维复合材料NOL环层间剪切强度要比干喷湿纺炭纤维复合材料高7.4~34.1 MPa。因此,干喷湿纺的炭纤维可应用于固体火箭发动机缠绕壳体、压力容器等主要承受拉伸应力的领域,可充分发挥其纤维强度;而湿法纺丝工艺制成的炭纤维与树脂基体结合紧密,利于载荷的传递,可应用于承受压缩剪切等复杂载荷的领域,从而发挥这两种纤维各自不同优势。