纤维缠绕压力容器设计原理与方法

第1章 绪论 压力容器是指装有气体或液体并承受一定压力的密闭装置，其用途非常广泛，并且在工业、民用、军事和许多科学研究领域都具有重要的地位和功能。根据制备材料的不同，压力容器可分为金属压力容器和复合材料压力容器（composite pressure vessel），前者因其工艺稳定性好、成本低等，广泛应用于传统的化学、石化和军事等领域，如液化天然气罐和短程导弹发动机壳体等；后者因其质量轻、抗疲劳性能良好和环境适应性好等，广泛应用于新能源汽车、火箭发动机系统和卫星等新技术和新装备上，如图1.1所示。 图1.1 应用于不同领域的复合材料压力容器 复合材料压力容器主要通过纤维缠绕工艺及编织工艺成型，是一种由具有密封性内衬和高强度的纤维缠绕层组成的薄壁容器。相较于传统的金属压力容器，复合材料压力容器的内衬起到了存储、密封和防化学腐蚀的作用，主要由复合材料层来承担内压载荷。由于复合材料的高比强度和良好的可设计性，复合材料压力容器相较于传统金属压力容器而言不仅承载能力得到了极大的提升，而且大幅地减轻了容器质量。 1.1 纤维缠绕压力容器的研究进展 航空航天的需求促进了复合材料压力容器的发展。复合材料压力容器的研究始于20世纪40年代，1947年美国以火箭发动机复合材料壳体技术为基础，开始使用F-84军用纤维制造空气压缩瓶。1957年10月苏联成功发射**颗人造地球卫星。美国为了尽快将自己的卫星送入太空，在原有民兵导弹、北极星导弹的基础上，对推进技术提出了更高的要求：携带更多的燃料，延长燃烧时间，获得足够的推力。但是，40年代以前，航空航天领域中应用的全部都是金属压力容器，其质量大，难以满足射程要求。正是在这种需求下，美国采用玻璃纤维增强橡胶内衬来制备固体发动机壳体，与原金属压力容器相比有效地减轻了27%的质量，并且有效地增加了射程。因此，航天技术的发展促使了复合材料压力容器的诞生。这个时期的复合材料压力容器是将玻璃纤维增强环氧树脂缠绕在橡胶内衬上，虽然这种压力容器的质量比金属压力容器轻，但是玻璃纤维抗应力断裂性差，耐疲劳性低以及气体渗透率较大，并未得到广泛应用。 “载人航天工程”中航天器的高压气体携带难题催生了金属内衬复合材料压力容器的诞生。 20世纪70年代，随着杜邦公司轻质高强的Kevlar纤维的成熟化、商品化应用，各国开始了Kevlar纤维复合材料压力容器的研制。与以往常用的S-2玻璃纤维相比，Kevlar纤维的模量是玻璃纤维的1.5倍，密度却是玻璃纤维的3/5，因此它能够进一步减轻复合材料压力容器的质量。美国率先将Kevlar纤维增强金属内衬复合材料压力容器应用在航天飞机计划中。这个时期的Kevlar纤维增强金属内衬复合材料压力容器的主要特性是：设计的安全系数为2～3，具有更轻的质量，与玻璃纤维增强的复合材料压力容器相比减重25%以上。 1980年，高强度、高模量和低密度的碳纤维开始在复合材料压力容器的制造行业中占据一席之地。随着碳纤维性能的提高和成本的显著降低，具有优异性能和低成本而无须焊接的无焊缝铝内衬制造技术的结合使低成本、轻量化和高可靠性的高压容器的生产成为可能。美国和日本于1997年首次使用碳纤维制造复合材料压力容器。碳纤维增强金属内衬复合材料压力容器由于其质量轻和可靠性高而在使用中迅速延伸。这个时期的碳纤维增强金属内衬复合材料压力容器的主要特点是：设计的安全系数为1.5～2，比Kevlar纤维增强金属内衬复合材料压力容器轻20%以上。 20世纪末，人类的太空探索活动更加频繁和多样化（如重返月球、火星探索、外太空探测等），因此对复合材料的综合性能提出了更高的要求，如轻量化、压力高、寿命长、渗漏性好、环境适应性强等。为满足不同航空航天系统对压力容器的需求，复合材料压力容器的发展呈现出多样化的特点，主要体现在以下方面。 （1）材料多样化。在纤维增强复合材料方面，新品种、新类型的增强纤维的出现，为人们提供了更多的选择，除常用的玻璃纤维、芳纶纤维、碳纤维外，还出现了聚苯并 唑（polybenzoxazole，PBO）纤维、玄武岩纤维、高分子量聚丙烯纤维等。 （2）内衬类型多样化。为适应不同介质、不同压力、不同气密性、不同应用领域的要求，出现了橡胶内衬、塑料内衬、金属内衬、复合材料内衬等，更好地解决了质量和性能间的矛盾。 （3）形状多样化。除了传统的柱形、圆形复合材料压力容器，为充分利用航空航天器内的宝贵空间，还出现了泪珠形压力容器、环形压力容器等。 （4）用途多样化。复合材料压力容器广泛应用在航空航天领域、燃气运输领域、液体介质储存领域、新能源领域、石油化工领域、民用储气领域等，在不同的岗位发挥着重要的作用。 压力容器从*开始的全金属压力容器到如今的非金属内衬复合材料缠绕压力容器乃至无内衬全缠绕压力容器。总体来说，复合材料压力容器总是朝着更高的容积特性系数发展，未来的复合材料压力容器将能承受更高的内压，具有更轻的质量以及更长的寿命。图1.2从左至右分别显示了全金属压力容器、带内衬的环向缠绕压力容器以及带内衬的全缠绕压力容器。 图1.2 各式压力容器 1.2 纤维缠绕压力容器的结构与材料 纤维缠绕压力容器的内层主要是内衬结构，其主要功能是充当密封屏障，防止内部存储的高压气体或液体泄漏，同时可以保护外部纤维缠绕层。该层不会被内部存储材料腐蚀，并且外层是由树脂基质增强的纤维缠绕层，主要用于承受压力容器中的大部分压力负荷（陈振国等，2018）。 1.2.1 纤维缠绕压力容器的结构 复合材料压力容器的结构形式主要有圆筒形、球形、环形和矩形四种。圆筒形容器由一个筒身段和两个封头组成。金属压力容器被制成简单形状，其轴向有多余的强度储备。球形容器在内压作用下，经、纬向应力相等，且为圆筒形容器周向应力的一半。金属材料在各方向的强度相等，因此金属制球形容器为等强度设计，在容积、压力一定时具有*小质量。球形容器的受力状态是*理想的，容器壁也可以做得*薄。但是由于球形容器在制造方面的难度较大，一般只有在航天器等特殊场合使用。环形容器在工业生产中十分少见，但是在某些特定的场合还是需要这种结构的，例如，空间飞行器为了充分利用有限空间，就会采用这种特殊结构。矩形容器主要是为了满足当空间有限时，*大限度地利用空间而采用的结构，如汽车矩形槽车、铁路罐车等，这类容器一般为低压容器或者常压容器，而质量要求越轻越好。 复合材料压力容器本身结构的复杂性、封头和封头厚度的突然变化、封头的可变厚度和角度等，给设计、分析、计算和成型带来了许多困难。有时，复合材料压力容器不仅需要在封头部分以不同的角度和变速比进行缠绕，而且需要根据结构的不同采用不同的缠绕方法。同时，必须考虑如摩擦系数等实际因素的影响。因此，只有正确的、合理的结构设计，才能正确地指导复合材料压力容器的缠绕生产工艺过程，从而生产出满足设计要求的轻量化复合材料压力容器产品。 1.2.2 纤维缠绕压力容器的材料 纤维缠绕层作为主要承重部分必须具有高强度、高模量、低密度、热稳定性和良好的树脂润湿性，以及良好的缠绕加工性和均匀的纤维束紧度。用于轻型复合材料压力容器的常用增强纤维材料包括碳纤维、PBO纤维、芳族聚酰胺纤维和超高分子量聚乙烯纤维等。 碳纤维是一种纤维状的碳材料，其主要成分是碳，由有机纤维原丝高温下碳化而成，也是一种含碳量超过95%的高性能纤维材料。碳纤维性能优良，研究始于100年以前，是一种高强度、高模量和低密度的高性能缠绕纤维材料，主要具有以下特点。①密度小、质量轻。碳纤维的密度为1.7～2g/cm3，相当于钢密度的1/4、铝合金密度的1/2。②高强度和高模量，其强度比钢高4～5倍，弹性模量比铝合金高5～6倍，绝对弹性回复（张二勇和孙艳，2020）。碳纤维的抗拉强度和弹性模量分别可达到3500～6300MPa和230～700GPa。③热膨胀系数小。碳纤维的导热系数随温度的升高而降低，耐骤冷、急热，即使从高温几千摄氏度下降到室温也不会破裂，在3000℃的非氧化性气氛中不会熔化或软化；在液氮温度下不会脆化。④耐腐蚀性好。碳纤维对酸呈惰性，并且可以承受强酸，如浓盐酸和硫酸。此外，碳纤维复合材料还具有抗辐射、化学稳定性好、可吸收有毒气体和中子减速等特点，在航空航天、军事等许多方面具有广泛的应用。 芳族聚酰胺（Aramid）出现于20世纪60年代后期，是由芳族聚邻苯二甲酰胺合成的有机纤维，其密度小于碳纤维。它具有高强度、高模量、良好的冲击性能和良好的化学稳定性，以及耐热性，其价格仅为碳纤维的一半。芳纶纤维主要具有以下特点。①良好的力学性能。芳纶纤维是一种比普通聚酯、棉、尼龙等具有更高断裂强度的柔性聚合物，具有更大的伸长率、柔软的手感、良好的可纺性，可以制成不同纤度和长度的纤维。②优良的阻燃和耐热性能。芳族聚酰胺的极限氧指数大于28，因此它离开火焰时不会继续燃烧。它具有良好的热稳定性，可以在205℃下连续使用，并且在高于205℃的高温条件下仍能保持较高的强度。同时，芳纶纤维的分解温度很高，在高温条件下还能保持较高的强度，只有在温度高于370℃时才开始碳化。③化学性能稳定。芳纶纤维对大多数化学物质均具有优异的抵抗力，可以承受大多数高浓度的无机酸，并且在室温下具有良好的耐碱性。④优良的力学性能。它具有出色的力学性能，如超高强度、高模量和轻质量。其强度是钢丝的5～6倍，弹性模量是钢丝或玻璃纤维的2～3倍，韧性是钢丝的2倍，质量仅是钢丝的1/5。芳族聚酰胺纤维一直是大量使用的高性能纤维材料，主要适用于对质量和形状有严格要求的航空和航天压力容器（孔海娟等，2013；虢忠仁等，2009）。 PBO纤维是美国在20世纪80年代为航空航天工业发展而开发的复合材料的增强材料。它是含有杂环芳族化合物的聚酰胺家族中*有前途的成员之一，被称为21世纪的超级纤维。PBO纤维具有十分优异的物理性能和化学性能，其强度、弹性模量、耐热性在所有纤维中几乎都是*好的。此外，PBO纤维具有出色的抗冲击性、耐摩擦性和尺寸稳定性，并且轻巧柔软，是极为理想的纺织材料。PBO纤维主要具有以下特点。①良好的力学性能。高端PBO纤维产品的强度为5.8GPa，弹性模量为180GPa，在现有的化学纤维中是*高的。②良好的热稳定性。耐热温度达到600℃，极限氧指数为68，在火焰中不燃烧或收缩，其耐热性和阻燃性高于其他任何有机纤维。作为21世纪的超高性能纤维，PBO纤维具有非常出色的物理性能和力学性能以及化学性能。它的强度和弹性模量是芳纶纤维的2倍，并且具有间位芳族聚酰胺的耐热性能和阻燃性能，其物理性能和化学性能完全超过了芳纶纤维。直径为1mm的PBO纤维可以提起质量达450kg的物体，其强度是钢纤维的10倍以上（赵领航等，2017；张鹏等，2012）。 超高分子量聚乙烯纤维，也称为高强度、高模量聚乙烯纤维，是世界上具有*高比强度和比模量的纤维。它是由聚乙烯纺成的纤维，分子量为100万～500万。超高分子量聚乙烯纤维主要具有以下特点。①高比强度和高比模量。它的比强度是相同截面钢丝的十倍以上，比模量仅次于特种碳纤维，通常分子量大于106，抗拉强度为3.5GPa，弹性模量为116GPa，伸长率为3.4%。②密度低。它的密度一般为0.97～0.98g/cm3，可以漂浮在水面上。③低断裂伸长率。它吸收能量的能力强，具有优异的耐冲击性和耐切割性，耐候性极好，能抗紫外线、中子和γ射线，具有高比能吸收、低介电常数、高电磁波透射率和耐化学腐蚀性能，以及良好的耐磨性和较长的弯曲寿命。聚乙烯纤维具有许多优异的性能，它在高性能纤维市场上显示出巨大的优势，从海上油田的系泊缆绳到高性能的轻质复合材料，在现代战争以及航空、航天和海事领域都显示出巨大的优势，在防御装备和其他领域起着举足轻重的作用（尹晔东，2008；赵静生等，2010）