第39卷第4期2012年8月
doi：10.3969/j.issn.1009-671X.2012.04.014
应用科技
AppliedScienceandTechnology
Vol.39，No.4
Aug.2012
纤维缠绕复合材料气瓶研究进展
徐君臣，银建中
大连理工大学化工机械学院，辽宁大连116024
摘要：纤维缠绕复合材料气瓶具有高比强度和比模量、抗疲劳、抗腐蚀等优点，已经成为研究的焦点.文中分析了纤维缠绕复合材料气瓶在国内外的研究进展，并进行了归纳总结，主要内容包括：纤维缠绕复合材料气瓶的国内外标准、制造过程中应考虑的主要因素、失效准则、失效模式以及优化设计.通过对比发现，Tsai-Wu失效准则预测的失效压力与实验值最接近.提出了一些预防复合材料气瓶失效的措施，对气瓶的安全使用有一定的借鉴作用.最后指出了未来研究的重点.
关键词：复合材料气瓶；纤维缠绕；失效准则；失效模式；优化设计中图分类号：TQ053.2
文献标志码：A
文章编号：（2012）1009-671X04-0064-08
Progressinfilament-woundcompositegascylinders
XUJunchen，YINJianzhong
SchoolofChemicalMachinery，DalianUniversityofTechnology，Dalian116024，China
Abstract：Filament-woundcompositegascylindershavebecomearesearchfocusbecausetheyexhibitmany
advantagessuchashighstrength-densityandstiffness-densityratios，andexcellentresistancetofatigueandcorrosion.Thispapersummarizestheprogressinfilament-woundcompositegascylindersathomeandabroad.Thedomesticandabroadstandards，themainfactorsthatshouldbeconsideredinmanufacturingprocess，failurecriteria，failuremodeandoptimaldesignoffilament-woundcompositegascylindersarediscussedhere.Bycomparison，itwasfoundthattheTsai-Wufailurecriterionleadstomostaccuratefailurepressureamongallfailurecriteria.Somemeasuresareputforwardtopreventthefailureofcompositegascylindersanditisofgreatsignificancetoimprovingcompositegascylinderssafely.Thefocusoffutureresearchissummarizedfinally.Keywords：compositegascylinders；filamentwound；failurecriterion；failuremode；optimaldesign
随着科学技术的发展，复合材料已广泛应用在航空、航天、能源、化工、海洋工程、生物医药、武器工业等领域.在日益崇尚环境友好的今天，燃油汽车的使用导致能源枯竭和城市环境污染已引起全球的关注.各国政府正在采取各种措施来解决这一问题，措施之一就是使用清洁燃料，如压缩天然气（compressednatualgas，）和H2等，代替柴油和CNG汽油；但这些清洁燃料需要使用压力容器.一般使用钢制气瓶，这势必会增加车重、占用货箱的空间以及增加汽车行驶的能耗等.采用纤维缠绕复合材料气瓶代替传统的钢制气瓶能够克服上述缺点，已经
收稿日期：2012-01-10.
徐君臣（1987-）,男，硕士研究生，主要研究方向：复合材料作者简介：
压力容器，E-mail：[email protected].
成为研究的热点.
纤维缠绕复合材料气瓶具有以下优点：）气瓶1重量轻、刚性好、强度高；）金属材料的疲劳破坏通2
常是没有明显预兆的突发性破坏，而复合材料中的增强物与基体的结合既能有效地传递载荷，又能阻止裂纹的扩展，提高了气瓶的断裂韧性；）复合材3
料中的大量增强纤维使得材料过载而少数纤维断裂时，载荷会迅速重新分配到未破坏的纤维上，使
）复合材整个气瓶在短期内不至于失去承载能力；4
料气瓶在受到撞击或高速冲击发生破坏时不会产生具有危险性的碎片，从而减少或避免对人员的伤害；）无需特殊处理就能满足耐腐蚀的要求.5
纤维缠绕复合材料气瓶一般由金属内衬、纤维、树脂等组成.复合气瓶内衬内壁直接与介质接
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徐君臣，等：纤维缠绕复合材料气瓶研究进展第4期
触，它的主要作用是气密、防腐、耐温和耐压；因此要求内衬材料具有良好的气密性、耐腐蚀性、耐温
和高强度、高韧性等特点.常用的内衬材料有铝和塑料2种.纤维缠绕增强复合材料层的主要作用是保证气瓶在受力的情况下，具有足够的强度、刚度和稳定性.复合材料缠绕层承担绝大部分（75%~95%）的压力载荷，其中纤维是主要的承载体，树脂对纤维起粘结作用，并在纤维之间起着分布和传递载荷的作用；因此，选择高强度、高弹性的增强纤维和性能良好的树脂是提高结构承载能力的重要措施.通常采用高强玻璃纤维环氧树脂或碳纤维环氧树脂和凯夫拉（Kevlar）纤维环氧树脂等高性能复合材料.复合材料气瓶一般采用2种分类方法，一是按
）天然气、氢气等燃料汽车的燃照应用领域分为：1料气瓶；）用于呼吸器系统，包括背负式呼吸器、小2
型呼吸器以及逃生用的呼吸面具等；（3）用于航空或航海，主要包括逃生滑梯充气装置和航空吸氧装置等.二是按内胆材料和增强材料分类：按内胆材料可分为金属内胆缠绕气瓶和塑料内胆缠绕气瓶；还可以按增强材料分为高强玻璃纤维缠绕气瓶、碳纤维缠绕气瓶、芳纶纤维缠绕气瓶等.由于铝内胆具有密封性好、抗疲劳性能强、循环寿命长、稳定性高及质量轻等优点，目前在碳纤维缠绕气瓶中得到了广泛的应用.
于2002年批准了纤维缠绕复合气瓶标准———ISO
11119《复合结构气瓶-规范和实验方法》.该标准主要包括环向缠绕复合气瓶、承载金属内胆纤维增强全缠绕复合气瓶、非金属内胆和不承载金属内胆纤维增强全缠绕复合气瓶.此标准适用于容积450L以下的容器，用于储存和运输压缩气体和液化气体，其水压实验压力≤65MPa.缠绕的纤维可为碳纤玻璃纤维、有机纤维或其混杂，但对环向缠绕标维、
准中规定也可采用钢丝缠绕进行周向加强.关于碳纤维复合气瓶主要的欧洲标准是英国HSE-A1-FW2以及欧洲大陆已批准的衍生版本———欧洲标准化技术委员会（CEN）编制的复合气瓶规范EN12245-《可运输气瓶-全缠绕复合材料气瓶》，以及EN2002
《可运输气瓶-无缝环向缠绕复合材料容12257-2002
器》等.我国关于纤维缠绕复合材料气瓶的标准比较少，很多企业都参考国外标准，通过消化吸收国
外先进技术和标准，制定了企业内部的标准.我国参考国外的标准以及实际的生产和使用经验制定了GB24160-2009《车用压缩天然气钢制内胆环向缠绕气瓶》制造，公称工作压.该标准适用于设计、力为20MPa或25MPa，公称水容积为30~450L，工作温度为-40~65℃，设计使用寿命为15a的缠绕气瓶.该标准还给出了试验方法和检验规则等.内胆需要进行的试验项目有底部密封性试验、拉伸试验、冲击试验、冷弯试验、金相检查、底部解剖、无损水压爆破试验等；缠绕气瓶需要进行的试验检测、
项目有缠绕层层间剪切强度试验、缠绕层抗拉强度试验、缠绕层外观试验、水压试验、水压爆破试验、气密性试验、常温压力循环试验、极限温度压力循环试验、加速应力破裂试验、枪击试验、火烧试验、裂纹容陷试验、酸环境试验、未爆先漏试验、高温蠕变试验等.而我国至今还没有关于全复合材料CNG车用气瓶的技术标准.为此，应在有关厂家生产实践的基础上，参照国外先进标准以及国内使用特点，尽快制定出此类气瓶的制造标准、定期检测标准和安全评定标准.
1复合材料气瓶标准
国际上对于复合材料气瓶没有统一的标准.目前使用较多的标准有美国制定的DOT-CFFC《铝内衬全缠绕碳纤维增强复合气瓶的基本要求》，气瓶的最大水容积≤90.7L，工作压力≤34.5MPa.美国国家标准所（ANSI）于1992年8月首次出版了NGV-2天然气汽车储气瓶标准，该标准包括了金属环向缠绕、金属内胆全缠绕、非金属内胆全缠绕.对非金属内胆全缠绕，玻璃纤维的安全系数是3.5，芳纶纤维是3.0，碳纤维是2.25.1989年ISO/TC58/WG17也着手《车用压缩天然气气瓶》国际标准的制定工作，于1992年提出标准草案，经过多次修改，ISO11439《车用压缩天然气高压气瓶》现已被中国在内的世界上大多数国家认可，标准第1版已于2000年9月正式颁布，它包括CNG-1金属气瓶、CNG-2金属内胆环向缠绕气瓶、CNG-3金属内胆全缠绕气瓶和CNG-4塑料内胆全缠绕气瓶.此标准是在过去20年来各国经验的基础上制定的，因此目前国内车用压缩天然气气瓶也参考该标准.国际标准化组织ISO
2复合材料气瓶的制造
复合材料气瓶的纤维增强层主要的作用是承受压力，所以纤维层对复合材料的力学性能有很大的影响.在制造复合材料气瓶时纤维增强层主要考虑的因素有气瓶的缠绕张力、铺层顺序、缠绕角度、缠绕厚度、纤维缠绕的线型等.
复合材料气瓶在缠绕制造过程中需要对纤维施
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表1
技
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加一定的张力，一方面是为了使纤维在内胆上按照设计线型排列，另一方面是为了使气瓶内胆和缠绕层产生一定的预应力，从而改善气瓶的抗疲劳性能.陈汝训[1]提出影响纤维强度发挥的重要原因是沿气瓶厚度方向各纤维受力不均匀，而缠绕张力又是纤维受力不均匀的重要因素，对壁厚较厚的气瓶尤其如此；因此，如何合理控制缠绕张力是提高气瓶纤维强度发挥的重要环节.张宗毅等提出了一种等效降温法，将缠绕张力产生的预应力等效为复合材料层
[2]
在准静态张力下实验和预测的失效应力值对比
项目
极限应力实验值/MPa极限应力预测值/MPa
误差
[ABABA]S[A2B2A]S[A3B2]S
1001055
75772.5
72684
注：（+θ1/-θ1），（+θ2/-θ2），而15°
降温产生的预应力，并通过有限元软件研究了缠绕
张力对环向缠绕复合材料气瓶应力的影响.研究结果表明：随着缠绕预应力的增大，环向缠绕复合材料气瓶内胆工作应力减小，复合层工作应力增大，缠绕张力产生的预应力较大时会抵消自紧工艺的效果.王欣荣[3]研究了缠绕张力对碳纤维缠绕铝内胆复合材料气瓶爆破压力的影响，模拟结果表明有缠绕张力气瓶的爆破压力比无缠绕张力气瓶的爆破压力提高了3.03%.Cohen[4]采用实验设计方法确定了在缠绕工艺过程中纤维预应力对缠绕结构力学性能的影响，发现提高预应力可以有效增加在纤维缠绕结构中缠绕层的纤维体积百分比，从而提高结构的强度.
Kalaycioglu等[5]研究了凯夫拉纤维缠绕6061-T6铝内衬的复合材料气瓶，主要集中在纤维的缠绕角度连续变化时，对称与非对称的铺层顺序对气瓶性能的影响，结构如图1所示.研究结果表明，对称的铺层顺序相对于非对称的铺层顺序爆破压力提高了15%，主要是因为对称的铺层顺序使得气瓶纤维层的应力分布得更加均匀，减少了应力集中.Bertin等[6-7]对聚合物复合材料储氢气瓶进行了实验和模拟研究，主要集中在复合层的铺层顺序对复合材料力学性能的影响上，研究结果如表1所示.从表中结果可以看出，对称的铺层顺序失效应力值最大.Velosa等[8]研究了以聚乙烯为内衬玻璃纤维缠绕的复合材料气瓶，结果发现纤维的方向、铺层的顺序和铺层的层数都会对纤维缠绕层的强度造成影响.
z
z
+a-ax+a
Wild等[9]通过网格分析得出纤维缠绕复合材料压力容器的最优角度为54.74°.Parnas等[10]考虑了纤维缠绕复合材料气瓶的内压的作用，得出优化的缠绕角主要取决于几何形状和使用的失效准则，并给出缠绕角的范围为52.1°~54.2°.Rosenow[11]利用经典层合理论分析了薄壁复合容器的缠绕角度在15°~85°之间变化时的应力与应变情况；对于环向应力和轴向应力之比等于2的圆筒形容器，均衡性缠绕角最优值为55°.Erkal等[12]对玻璃纤维缠绕塑料内衬的复合材料压力容器疲劳破坏进行了实验研究，玻璃纤维均采用对称的方式缠
实验绕，缠绕的角度分为±75°、±60°、±55°、±45°，结果表明，当缠绕角度为±55°时，爆破的压力最大，
为10.2MPa.
纤维缠绕的厚度并不是越厚越好，纤维缠绕得太厚不仅会增加制造成本，而且外层纤维的强度也得不到充分的发挥，造成材料的浪费.古海波[13]对容积为2L的碳纤维缠绕铝内胆复合材料气瓶的环向缠绕厚度进行了设计.随着环向纤维厚度的增加，工作压力和最小爆破压力下内胆和纤维的应力水平降低，同时纤维的应力比减小.根据DOT-CFFC标准，得出纤维单层厚度的取值范围为0.13≤t≤0.14mm.
对于纤维缠绕结构，纤维缠绕的线型是一个重要的设计参数.目前基本的纤维缠绕线型有环向缠绕、纵向缠绕和螺旋缠绕3种.环向缠绕是沿容器圆周方向进行缠绕，只能在筒身段进行，纤维缠绕的角度通常在85°~90°，缠绕工艺简单.纵向缠绕的纤维轨迹是一条单圆平面封闭曲线，缠绕角度较小，多用于粗短容器.螺旋缠绕又称为测地线缠绕，缠绕时导丝头按特定速度沿芯模绕轴线匀速自转，可以对筒身段和封头进行纤维缠绕，缠绕角度约为
缠绕工艺复杂.池秀芬等[14]通过碰撞损伤12°~70°，
研究发现螺旋缠绕方式抵抗损伤的能力要高于普
通环向缠绕方式，所以在制造复合材料压力容器时尽量采用螺旋缠绕方式.在复合材料气瓶制造中，一般采用螺旋和环向组成的缠绕形式.
y
y
-ax
（a）对称的铺层顺序（b）非对称的铺层顺序
图1
纤维缠绕的铺层顺序
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徐君臣，等：纤维缠绕复合材料气瓶研究进展第4期
3复合材料气瓶失效准则
复合材料气瓶的失效主要是纤维层的失效，故
设计也主要是设计纤维层的强度.常用的失效准则有最大应力准则、最大应变准则、Tsai-Hill准则[15]、Hashin准则[16]、Hoffman准则[17]和Tsai-Wu准则[18].最
大应力准则是指如果某一种材料主方向的应力超过其强度值，材料就破坏，通常适用于对强度有要求的场合.最大应变准则也是将复合材料的各应力分量与基本强度分量相比较，区别是最大应变准则考虑了另外一个方向应力分量的影响，适用于对构件形状变形有严格要求的场合.最大应力及Tsai-Wu准则适用于拉、压应力，Tsai-Wu及Tsai-Hill准则都允许二次应力的相互作用；但Tsai-Hill准则只是二阶标准，没有线性应力，而Tsai-Wu准则有这种线性应力，并适用于平面的所有象限及三围问题.其中
表达式见式（1）：Tsai-Wu准则应用最广，
F11σ12+F22σ22+F66σ62+F1σ1+F2σ2+2F12σ1σ2≥1；
（1）
F11=，F22=，F66=2，F1=-，
XtXcYtYcStcXtXcF2=1-1，F12=-1姨1112.tc式中：F为强度系数，Xt、Xc分别为纵向的拉伸和压缩强度，Yt和Yc分别为横向的拉伸和压缩强度，Stc
为平面的剪切强度，σ1、σ2分别为纵向和横向拉应力.
张晓军等[19]采用了最大应变准则预测了纤维缠绕复合材料气瓶的爆破压力约为66MPa，而二次爆破试验中测得的爆破压力分别为65MPa和68MPa.由此可见，最大应变准则预测复合材料气瓶的爆破压力是比较准确的.Wang等[20]也基于最大应变准则，采用ANSYS有限元软件预测了碳纤维缠绕6061-T6铝内胆气瓶的爆破压力为65MPa，与实验值比较吻合.Park等[21]在考虑各种载荷和边界条件的情况下，采用剪切变形理论和Tsai-Hill失效准则分析了对称的复合材料层，并获得了最优化的设计方案.在保持强度不变的情况下，Moharrerzadeh等基于Hoffman准则对复合材料气瓶的质量进行了优化设计，并且取得了比较理想的结果.Liu等[23]采用Tsai-Wu准则设计了碳纤维缠绕铝内胆复合材料气瓶，并采用ANSYS软件分别计算了复合材料气瓶在预应力、工作压力、水压实验压力、最小破坏压力等条件下的应力值，计算结果均满足美国制定的DOT-CFFC标准的要求.这说明了理论设计的可行性，也为工程上的实际应用提供了理论依据.Antunes等[24]也采用了Tsai-Wu准则设计了聚丙烯内衬玻璃
[22]
纤维缠绕的复合材料气瓶，并采用有限元软件计算
复合层的应力以及最小的爆破压力，计算了内衬、
的结果均满足EN12245标准的要求，为实际的生产提供了理论依据.郑津洋等[25]研究了碳纤维缠绕铝内胆的储氢气瓶，采用了最大应力准则、Hoffman准则、Tsai-Hill准则和Tsai-Wu准则预测了气瓶的失效压力，结果如表2所示[25].而实验测得气瓶的爆通过对比可以看出，这4种破压力为125~126MPa，
准则预测的爆破压力与实验值一致，而Tsai-Wu准则预测的爆破压力值与实验值最接近.
表2
采用4种失效准则计算气瓶的爆破压力值
失效准则最大应力HoffmanTsai-HillTsai-Wu
爆破压力/MPa
120.6119.6119.6122.7
4复合材料气瓶的失效模式
气瓶失效是指气瓶丧失了其储存介质的功能.常见的气瓶失效模式主要分为弹性失效、屈服失效、脆性断裂失效、塑性断裂失效、疲劳断裂失效、冲击断裂失效等类型，其主要表现形式包括瓶身漏气，内胆鼓包、裂纹，纤维断裂，基体开裂、冲击损伤等.4.1
瓶身漏气
全复合材料气瓶的塑料内胆一般采用高密度聚乙烯材料，经滚塑工艺加工成型.塑料内胆主要对气瓶起密封的作用，而非强度作用；因此，其失效主要是指内胆失去其应有的密封性能，多表现为气瓶出现各种形式的泄漏.内胆由于漏气而失效的原因主要包括2个方面：一方面是内胆制造成型时产生的缺陷，这类原始缺陷在气瓶的使用过程中，经反复疲劳很可能诱发出各种形式的裂纹，最终导致内胆泄漏；另一方面是气瓶在运输、安装和使用中遇到的冲击损伤，过大的冲击力导致内胆出现裂纹等缺陷.可以通过以下措施来防止瓶身漏气而导致的失效.首先，要合理选择气瓶的制造材料，正确制定和执行标准，实行严格的质量管理和工艺过程及质量认证试验；其次，安装时要避免碰撞、划伤等；最后，使用过程中充气的速率应尽可能小，充气气压高限值应控制在20MPa以内.4.2
内胆鼓包、裂纹
据报道，在复合材料气瓶的定期检验中发现不合格气瓶中发生内胆鼓包、裂纹的气瓶占全部检测
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气瓶数的84.85%.显然内胆鼓包、裂纹是复合材料气瓶失效的主要形式.雷闽等[26]为了确定复合材料气瓶内胆出现鼓包、裂纹缺陷产生的原因，对复合气瓶内胆材质进行力学性能、微观分析、缠绕层和内胆材料线膨胀系数测试.测试结果发现缠绕层和内胆材料的线膨胀系数不同是导致复合材料气瓶产生鼓包和裂纹的最根本原因.充放气过程中，内压和温度的低周循环也是气瓶产生缺陷的直接因素.夏立荣[27]对车用CNG全复合材料气瓶内胆鼓包的成因进行了研究，研究结果表明，气瓶受内压的变化、充放气过程中内部温度的变化、内胆材料与缠绕层复合材料线膨胀系数、弹性模量以及延伸率的差异以及结合界面本身粘结性较差等都会造成气瓶内胆鼓包，这样在气瓶内气压的高低循环下反复作用，如此一来就会对内胆的最薄弱部位产生循环折弯的疲劳损伤过程，造成内胆层微裂纹的损伤贯通，最终造成气瓶整体泄漏失效.可以适当增加内胆的刚度、在内胆与缠绕层之间增加一种缓冲材料、严格控制气瓶的泄压过程，尽可能使气瓶保持一定的余压（2MPa左右）等措施来防止气瓶内胆鼓包和裂纹的产生.4.3纤维断裂
复合材料气瓶由于在拆装、搬运、使用等过程中操作不当，使气瓶受到外力冲击、碰撞等损伤，导致复合材料气瓶表面出现划痕，进而使气瓶表面纤维断裂.在气瓶检测中往往根据经验来作为气瓶判废的标准[28-29]，如建议在割伤深度超过0.15mm或磨损露出的纤维深度超过0.25mm时气瓶便报废.这些做法缺乏一定的理论依据，会造成不必要的浪费.鉴于此，有很多学者对这方面的内容进行了研究.徐延海等[30]研究了表面损伤对全复合材料车用天然气气瓶强度的影响.文中取了气瓶嘴附近、上封头附近、筒身、下封头附近和筒底附近5个部位，在轴向和周向2个方向上设置了几种不同长度和深度的表面损伤组合来模拟纤维的断裂状态.研究结果表明，气瓶在有表面损伤时的应力值比无表面损伤时明显增大；对于相同尺度的表面损伤，轴向表面损伤对气瓶应力的影响比周向表面损伤显著；随着表面损伤长度的增加，气瓶在该处的等效应力逐渐增大；筒身表面的损伤比其他部位损伤的危害性小.Makinson等[31]研究了划痕对碳纤维缠绕聚乙烯内衬的复合材料储氢气瓶爆破压力的影响.文中研究了划痕分为纵向和环向，划痕的长度为57mm，宽
深度分别为复合层厚度11.4mm的10%、为1mm，
20%、30%和40%，对应的爆破压力分别为76.14、
69.63、59.27和52.98MPa，而没有划痕时的爆破压
力为74.3MPa，可见随着划痕深度的增加，气瓶的爆破压力逐渐减小.Kim等[32]研究了划痕对碳纤维缠绕铝内衬复合天然气气瓶疲劳寿命的影响.文中研究划痕深度为1.5、2.0、3.0和4.0mm，宽度为2
长度分别为50、一共进行了12mm，100和200mm，组实验.实验结果表明，当划痕的深度超过3.0mm，长度超过100mm时，对气瓶的疲劳寿命有显著的影响.而ISO19078标准中规定的划痕的深度要小于1.25
这是比较保守的.mm，4.4基体开裂
复合层基体开裂主要是由于树脂脆性大，断裂延伸率低，在外载荷作用下，树脂的开裂远早于纤维的断裂，使纤维附近的树脂及树脂与纤维之间的界面处产生应力集中，形成基体开裂.基体开裂会导致层间分层以及纤维拉出、断裂，最后导致材料的破坏.张晓兵等[33]对复合材料压力容器基体开裂损伤进行了研究，研究结果表明，缠绕张力能使树脂基体产生预应力，从而可提高基体抵抗开裂的能力.缠绕张力不合适会造成树脂不均匀，在循环压力载荷作用下，将产生基体开裂、裂纹不断扩展和新裂纹的产生，导致压力容器的刚度、强度下降，影响使用寿命.王晓宏等[34]采用渐近损伤的模型对纤维缠绕复合材料压力容器基体开裂损伤进行了分析，详细分析了压力容器不同部位随外载荷的增加逐渐失效的情况，与真实情况比较符合，为复合材料压力容器的设计提供了有用的参考价值.Orifici等[35]总结了基体开裂以及失效的准则，采用断裂力学理论预测了基体开裂对复合材料的破坏.可以在树脂中加入其他助剂，在保证树脂固化后具有高的强度、模量的情况下使树脂具有一定的塑性和韧性，或者采用热塑性基体，这样可以减少基体开裂的发生.4.5冲击损伤
复合材料气瓶在使用的过程中容易受到外来物体的冲击而产生损伤，并且往往在表面损伤很小，而在气瓶内表面以及缠绕层之间损伤严重.气瓶在冲击载荷作用下的损伤破坏表现为基体开裂、基体挤压、纤维断裂、分层损伤等.冲击损伤使复合材料层的寿命和强度大大下降，严重影响材料的使用.目前，对复合材料在冲击载荷作用下的研究主要集中在层合板在不同的冲击载荷作用下的损伤规律、复合材料层合板的损伤机理等上.Choi等[36-37]
通过实验和模拟的方法研究了在低速冲击载荷作用下复合材料层合板破坏的机理.在冲击载荷作
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徐君臣，等：纤维缠绕复合材料气瓶研究进展第4期
用下复合层基体开裂是最开始的失效模型，由于基体开裂会导致复合层出现分层和微裂纹；初始的微
裂纹缺陷会显著降低复合层抵抗冲击破坏的性能；并且复合层的堆叠顺序对复合层的抗冲击性能有显著的影响.张彦等[38]研究了碳纤维复合材料层合板在低速冲击作用下层内和层间的失效行为，并采用有限元软件对复合材料层合板在横向低速冲击作用下的损伤和变形行为进行预测分析，模拟的结果与实验的结果比较吻合.Kaneko等[39]采用有限元的方法对在横向载荷作用下的复合材料气瓶的失效进行了分析.在建模时只考虑气瓶的筒体部分，筒体复合层最外层为玻璃纤维，其余为碳纤维缠绕，并且根据实际的情况考虑了气瓶的内压作用.模拟使用的冲击器为刚性的半球形，半径为25mm，质量为554kg，冲击的速度为10m/s.模拟结果如图2所示[39].
500400Load/kN300200100
17.5MPa
35.0MPa52.5MPa70.0MPa
力下，让容器在靠近内壁的部分厚度范围内达到屈
内壁处产生服而产生塑性变形.当自紧压力卸掉后，
残余压应力.其目的是使得容器在工作压力下，容器内外壁的拉应力能够相近些，以较充分地利用材料.纤维缠绕复合材料气瓶不算厚壁容器，但由于内胆和缠绕层材料力学性能的巨大差异，当内胆已经屈服时，纤维还处于低应力状态，纤维优良的高强度性能得不到充分发挥.复合材料气瓶面临的这个问题恰好可以通过自紧来解决.古海波等[40]采用有限元软件对2L的碳纤维全缠绕铝内胆气瓶的预紧压力进行了优化，得到了预紧压力对气瓶应力影响的结果.并对照DOT-CFFC标准，得到了预紧压力的范取最佳的预紧压力围为35.9MPa≤Ppre≤36.6MPa，
为Ppre=36.6MPa.李小明等[41]对某型复合材料气瓶进行了优化设计，自紧压力由40MPa提高到44MPa，铺层角度由10°增加到12°，而工作压力下气瓶内胆应力减少了25%，可见进行优化分析是有必要的.郑津洋等[42]对70MPa车用轻质高压复合材料储氢气瓶进行了自增强处理，内衬圆柱段的应力从147MPa下降到135MPa，而纤维层的应力有少量增加.自增强处理后，内衬材料的承载能力得到提高，在反复充装气体时，不会产生塑性变形的积累.李玮[43]采用有限元软件对4.3L碳纤维缠绕铝内胆复合材料气
05
1015Displacement/mm
2025
瓶的自紧压力进行了优化.在满足DOT-CFFC标准的情况下，自紧压力的取值范围为55.1~56.2MPa.相对未自紧气瓶而言，通过自紧作用大大提高了气瓶的力学性能，使气瓶具有很强的安全性和可靠性.5.2气瓶质量的优化
在满足气瓶强度要求的情况下，气瓶的质量是设计的重要参数.纤维的价格相对较高，通过结构优化，减薄纤维层的厚度，可以节省材料，降低成本.边文凤等[44]对纤维缠绕的车用气瓶进行了整体优化设计，从轻型角度出发给出了优化的目标函数，同时也给出了爆破压力最大的优化约束函数.这样做的目的是保证产品在安全使用的前提下，汽车有较高的动力性和较长的续驶里程.王志辉等[45]采用零阶和一阶方法并按照美国DOT-CFFC设计要求对复合材料气瓶进行了优化设计.通过优化，纤维强度转换率得到提高，复合材料层体积由306cm3减小到232cm3，气瓶的容重比由7.24提高到8.22，优化效果明显.傅强[46]对碳纤维缠绕铝内胆的高压储氢气瓶进行了整体优化设计.综合考虑筒体与封头强度、质量、尺寸、缠绕工艺等因素要求，以气瓶的质
应力、隔阻性量最小作为优化的目标函数，以容积、
和加工工艺等为约束条件，以气瓶内衬内径D0为
图2复合层从开始到穿透载荷与位移的曲线
从图2中可以看出，当气瓶内压为17.5~52.5MPa时，穿透载荷随着内压的增加而增加，主要是因为压力越高，刚度越大；当内压为70MPa时，穿透载荷反而小，由于压力太高，导致了轴向纤维失效的发生；所以可以提高压力，但必须小于安全操作压力可以增强气瓶抵抗冲击破坏的能力.
5复合材料气瓶的优化设计
优化设计的基本原理是通过建立优化模型，运用各种优化方法，求得满足设计要求范围内的目标函数极值，得到最优化方案.纤维缠绕复合材料气瓶的优化主要集中在自紧压力的优化、质量的优化等上，主要的目的是改变工作压力下内衬和纤维层的应力分配，充分发挥复合材料高强度的特点，同时在保证强度的条件下尽量减轻气瓶的质量，提高经济性.5.1
自紧压力的优化
自紧常常应用于金属厚壁高压容器.在自紧压
第39卷应用科技
·70·
设计参数，建立了优化设计模型并给出了优化方案.Kang等[47]对CNG-2型气瓶的封头部分的形状和厚度进行了优化设计，气瓶的质量从94.7kg下降到89.9kg.郑津洋等分别采用蒙特卡罗（MonteCarlo，）、遗传算法（geneticalgorithm，）、自适应遗传MCGA算法（adaptivegeneticalgorithm，）和人工免疫系AGA统（artificialimmunesystem，）等方法对碳纤维缠AIS绕铝内胆复合材料储氢气瓶的质量进行了优化设
在保证计，结果如表3所示[48-49].从表3中可以看出，
气瓶的爆破压力的情况下，自适应遗传算法和人工免疫系统方法优化的气瓶的质量最小.
表3
使用不同方法优化结果的对比
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方法名称
质量
m/kg7.8657.7507.7327.7307.730
爆破压力P/MPa167.1165.0164.6164.5164.5
每层复合
极轴半径
层厚度
r/mm
h/mm1.411.391.381.381.38
30.930.630.030.030.0
蒙特卡罗Ⅰ蒙特卡罗Ⅱ遗传算法自适应遗传算法人工免疫系统
注：蒙特卡罗Ⅰ代表100次迭代，蒙特卡罗Ⅱ代表1000次迭代；遗传算法研究100个群体遗传1000代；自适应遗传算法研究100个群体遗传100代；人工免疫系统研究50个抗体和50次迭代.
6结束语
纤维缠绕复合材料气瓶是复合材料技术在压力容器中的重要应用，必将随着复合材料技术的发展而发展.虽然复合材料在机械强度、质轻、耐腐蚀和制造方面都取得了很大进步；但是复合材料气瓶的发展仍处在一个不断研究、不断进步的阶段，没有形成规模化、市场化的应用格局，还需要科技工作者不断的研究和探索，使其结构更加优化、性能更加稳定可靠.目前，对于全复合材料气瓶的研究相对较少，也没有制定相应的制造标准、定期检测标准和安全评定标准.全复合材料气瓶相对金属内衬复合材料气瓶具有成本低、质量轻、高压循环寿命长、防腐蚀等优点，是今后研究的重点.为了充分发挥复合材料在复合气瓶中的优势，需要不断完善应力分析理论方法和数值方法，另外加上计算机辅助分析和设计，从而使复合气瓶的结构和制造工艺得到完善.随着科技的发展，复合材料气瓶仍具有很大的研发价值和应用空间.
·71·
徐君臣，等：纤维缠绕复合材料气瓶研究进展第4期
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第39卷第4期2012年8月
doi：10.3969/j.issn.1009-671X.2012.04.014
应用科技
AppliedScienceandTechnology
Vol.39，No.4
Aug.2012
纤维缠绕复合材料气瓶研究进展
徐君臣，银建中
大连理工大学化工机械学院，辽宁大连116024
摘要：纤维缠绕复合材料气瓶具有高比强度和比模量、抗疲劳、抗腐蚀等优点，已经成为研究的焦点.文中分析了纤维缠绕复合材料气瓶在国内外的研究进展，并进行了归纳总结，主要内容包括：纤维缠绕复合材料气瓶的国内外标准、制造过程中应考虑的主要因素、失效准则、失效模式以及优化设计.通过对比发现，Tsai-Wu失效准则预测的失效压力与实验值最接近.提出了一些预防复合材料气瓶失效的措施，对气瓶的安全使用有一定的借鉴作用.最后指出了未来研究的重点.
关键词：复合材料气瓶；纤维缠绕；失效准则；失效模式；优化设计中图分类号：TQ053.2
文献标志码：A
文章编号：（2012）1009-671X04-0064-08
Progressinfilament-woundcompositegascylinders
XUJunchen，YINJianzhong
SchoolofChemicalMachinery，DalianUniversityofTechnology，Dalian116024，China
Abstract：Filament-woundcompositegascylindershavebecomearesearchfocusbecausetheyexhibitmany
advantagessuchashighstrength-densityandstiffness-densityratios，andexcellentresistancetofatigueandcorrosion.Thispapersummarizestheprogressinfilament-woundcompositegascylindersathomeandabroad.Thedomesticandabroadstandards，themainfactorsthatshouldbeconsideredinmanufacturingprocess，failurecriteria，failuremodeandoptimaldesignoffilament-woundcompositegascylindersarediscussedhere.Bycomparison，itwasfoundthattheTsai-Wufailurecriterionleadstomostaccuratefailurepressureamongallfailurecriteria.Somemeasuresareputforwardtopreventthefailureofcompositegascylindersanditisofgreatsignificancetoimprovingcompositegascylinderssafely.Thefocusoffutureresearchissummarizedfinally.Keywords：compositegascylinders；filamentwound；failurecriterion；failuremode；optimaldesign
随着科学技术的发展，复合材料已广泛应用在航空、航天、能源、化工、海洋工程、生物医药、武器工业等领域.在日益崇尚环境友好的今天，燃油汽车的使用导致能源枯竭和城市环境污染已引起全球的关注.各国政府正在采取各种措施来解决这一问题，措施之一就是使用清洁燃料，如压缩天然气（compressednatualgas，）和H2等，代替柴油和CNG汽油；但这些清洁燃料需要使用压力容器.一般使用钢制气瓶，这势必会增加车重、占用货箱的空间以及增加汽车行驶的能耗等.采用纤维缠绕复合材料气瓶代替传统的钢制气瓶能够克服上述缺点，已经
收稿日期：2012-01-10.
徐君臣（1987-）,男，硕士研究生，主要研究方向：复合材料作者简介：
压力容器，E-mail：[email protected].
成为研究的热点.
纤维缠绕复合材料气瓶具有以下优点：）气瓶1重量轻、刚性好、强度高；）金属材料的疲劳破坏通2
常是没有明显预兆的突发性破坏，而复合材料中的增强物与基体的结合既能有效地传递载荷，又能阻止裂纹的扩展，提高了气瓶的断裂韧性；）复合材3
料中的大量增强纤维使得材料过载而少数纤维断裂时，载荷会迅速重新分配到未破坏的纤维上，使
）复合材整个气瓶在短期内不至于失去承载能力；4
料气瓶在受到撞击或高速冲击发生破坏时不会产生具有危险性的碎片，从而减少或避免对人员的伤害；）无需特殊处理就能满足耐腐蚀的要求.5
纤维缠绕复合材料气瓶一般由金属内衬、纤维、树脂等组成.复合气瓶内衬内壁直接与介质接
·65·
徐君臣，等：纤维缠绕复合材料气瓶研究进展第4期
触，它的主要作用是气密、防腐、耐温和耐压；因此要求内衬材料具有良好的气密性、耐腐蚀性、耐温
和高强度、高韧性等特点.常用的内衬材料有铝和塑料2种.纤维缠绕增强复合材料层的主要作用是保证气瓶在受力的情况下，具有足够的强度、刚度和稳定性.复合材料缠绕层承担绝大部分（75%~95%）的压力载荷，其中纤维是主要的承载体，树脂对纤维起粘结作用，并在纤维之间起着分布和传递载荷的作用；因此，选择高强度、高弹性的增强纤维和性能良好的树脂是提高结构承载能力的重要措施.通常采用高强玻璃纤维环氧树脂或碳纤维环氧树脂和凯夫拉（Kevlar）纤维环氧树脂等高性能复合材料.复合材料气瓶一般采用2种分类方法，一是按
）天然气、氢气等燃料汽车的燃照应用领域分为：1料气瓶；）用于呼吸器系统，包括背负式呼吸器、小2
型呼吸器以及逃生用的呼吸面具等；（3）用于航空或航海，主要包括逃生滑梯充气装置和航空吸氧装置等.二是按内胆材料和增强材料分类：按内胆材料可分为金属内胆缠绕气瓶和塑料内胆缠绕气瓶；还可以按增强材料分为高强玻璃纤维缠绕气瓶、碳纤维缠绕气瓶、芳纶纤维缠绕气瓶等.由于铝内胆具有密封性好、抗疲劳性能强、循环寿命长、稳定性高及质量轻等优点，目前在碳纤维缠绕气瓶中得到了广泛的应用.
于2002年批准了纤维缠绕复合气瓶标准———ISO
11119《复合结构气瓶-规范和实验方法》.该标准主要包括环向缠绕复合气瓶、承载金属内胆纤维增强全缠绕复合气瓶、非金属内胆和不承载金属内胆纤维增强全缠绕复合气瓶.此标准适用于容积450L以下的容器，用于储存和运输压缩气体和液化气体，其水压实验压力≤65MPa.缠绕的纤维可为碳纤玻璃纤维、有机纤维或其混杂，但对环向缠绕标维、
准中规定也可采用钢丝缠绕进行周向加强.关于碳纤维复合气瓶主要的欧洲标准是英国HSE-A1-FW2以及欧洲大陆已批准的衍生版本———欧洲标准化技术委员会（CEN）编制的复合气瓶规范EN12245-《可运输气瓶-全缠绕复合材料气瓶》，以及EN2002
《可运输气瓶-无缝环向缠绕复合材料容12257-2002
器》等.我国关于纤维缠绕复合材料气瓶的标准比较少，很多企业都参考国外标准，通过消化吸收国
外先进技术和标准，制定了企业内部的标准.我国参考国外的标准以及实际的生产和使用经验制定了GB24160-2009《车用压缩天然气钢制内胆环向缠绕气瓶》制造，公称工作压.该标准适用于设计、力为20MPa或25MPa，公称水容积为30~450L，工作温度为-40~65℃，设计使用寿命为15a的缠绕气瓶.该标准还给出了试验方法和检验规则等.内胆需要进行的试验项目有底部密封性试验、拉伸试验、冲击试验、冷弯试验、金相检查、底部解剖、无损水压爆破试验等；缠绕气瓶需要进行的试验检测、
项目有缠绕层层间剪切强度试验、缠绕层抗拉强度试验、缠绕层外观试验、水压试验、水压爆破试验、气密性试验、常温压力循环试验、极限温度压力循环试验、加速应力破裂试验、枪击试验、火烧试验、裂纹容陷试验、酸环境试验、未爆先漏试验、高温蠕变试验等.而我国至今还没有关于全复合材料CNG车用气瓶的技术标准.为此，应在有关厂家生产实践的基础上，参照国外先进标准以及国内使用特点，尽快制定出此类气瓶的制造标准、定期检测标准和安全评定标准.
1复合材料气瓶标准
国际上对于复合材料气瓶没有统一的标准.目前使用较多的标准有美国制定的DOT-CFFC《铝内衬全缠绕碳纤维增强复合气瓶的基本要求》，气瓶的最大水容积≤90.7L，工作压力≤34.5MPa.美国国家标准所（ANSI）于1992年8月首次出版了NGV-2天然气汽车储气瓶标准，该标准包括了金属环向缠绕、金属内胆全缠绕、非金属内胆全缠绕.对非金属内胆全缠绕，玻璃纤维的安全系数是3.5，芳纶纤维是3.0，碳纤维是2.25.1989年ISO/TC58/WG17也着手《车用压缩天然气气瓶》国际标准的制定工作，于1992年提出标准草案，经过多次修改，ISO11439《车用压缩天然气高压气瓶》现已被中国在内的世界上大多数国家认可，标准第1版已于2000年9月正式颁布，它包括CNG-1金属气瓶、CNG-2金属内胆环向缠绕气瓶、CNG-3金属内胆全缠绕气瓶和CNG-4塑料内胆全缠绕气瓶.此标准是在过去20年来各国经验的基础上制定的，因此目前国内车用压缩天然气气瓶也参考该标准.国际标准化组织ISO
2复合材料气瓶的制造
复合材料气瓶的纤维增强层主要的作用是承受压力，所以纤维层对复合材料的力学性能有很大的影响.在制造复合材料气瓶时纤维增强层主要考虑的因素有气瓶的缠绕张力、铺层顺序、缠绕角度、缠绕厚度、纤维缠绕的线型等.
复合材料气瓶在缠绕制造过程中需要对纤维施
第39卷应用科
表1
技
·66·
加一定的张力，一方面是为了使纤维在内胆上按照设计线型排列，另一方面是为了使气瓶内胆和缠绕层产生一定的预应力，从而改善气瓶的抗疲劳性能.陈汝训[1]提出影响纤维强度发挥的重要原因是沿气瓶厚度方向各纤维受力不均匀，而缠绕张力又是纤维受力不均匀的重要因素，对壁厚较厚的气瓶尤其如此；因此，如何合理控制缠绕张力是提高气瓶纤维强度发挥的重要环节.张宗毅等提出了一种等效降温法，将缠绕张力产生的预应力等效为复合材料层
[2]
在准静态张力下实验和预测的失效应力值对比
项目
极限应力实验值/MPa极限应力预测值/MPa
误差
[ABABA]S[A2B2A]S[A3B2]S
1001055
75772.5
72684
注：（+θ1/-θ1），（+θ2/-θ2），而15°
降温产生的预应力，并通过有限元软件研究了缠绕
张力对环向缠绕复合材料气瓶应力的影响.研究结果表明：随着缠绕预应力的增大，环向缠绕复合材料气瓶内胆工作应力减小，复合层工作应力增大，缠绕张力产生的预应力较大时会抵消自紧工艺的效果.王欣荣[3]研究了缠绕张力对碳纤维缠绕铝内胆复合材料气瓶爆破压力的影响，模拟结果表明有缠绕张力气瓶的爆破压力比无缠绕张力气瓶的爆破压力提高了3.03%.Cohen[4]采用实验设计方法确定了在缠绕工艺过程中纤维预应力对缠绕结构力学性能的影响，发现提高预应力可以有效增加在纤维缠绕结构中缠绕层的纤维体积百分比，从而提高结构的强度.
Kalaycioglu等[5]研究了凯夫拉纤维缠绕6061-T6铝内衬的复合材料气瓶，主要集中在纤维的缠绕角度连续变化时，对称与非对称的铺层顺序对气瓶性能的影响，结构如图1所示.研究结果表明，对称的铺层顺序相对于非对称的铺层顺序爆破压力提高了15%，主要是因为对称的铺层顺序使得气瓶纤维层的应力分布得更加均匀，减少了应力集中.Bertin等[6-7]对聚合物复合材料储氢气瓶进行了实验和模拟研究，主要集中在复合层的铺层顺序对复合材料力学性能的影响上，研究结果如表1所示.从表中结果可以看出，对称的铺层顺序失效应力值最大.Velosa等[8]研究了以聚乙烯为内衬玻璃纤维缠绕的复合材料气瓶，结果发现纤维的方向、铺层的顺序和铺层的层数都会对纤维缠绕层的强度造成影响.
z
z
+a-ax+a
Wild等[9]通过网格分析得出纤维缠绕复合材料压力容器的最优角度为54.74°.Parnas等[10]考虑了纤维缠绕复合材料气瓶的内压的作用，得出优化的缠绕角主要取决于几何形状和使用的失效准则，并给出缠绕角的范围为52.1°~54.2°.Rosenow[11]利用经典层合理论分析了薄壁复合容器的缠绕角度在15°~85°之间变化时的应力与应变情况；对于环向应力和轴向应力之比等于2的圆筒形容器，均衡性缠绕角最优值为55°.Erkal等[12]对玻璃纤维缠绕塑料内衬的复合材料压力容器疲劳破坏进行了实验研究，玻璃纤维均采用对称的方式缠
实验绕，缠绕的角度分为±75°、±60°、±55°、±45°，结果表明，当缠绕角度为±55°时，爆破的压力最大，
为10.2MPa.
纤维缠绕的厚度并不是越厚越好，纤维缠绕得太厚不仅会增加制造成本，而且外层纤维的强度也得不到充分的发挥，造成材料的浪费.古海波[13]对容积为2L的碳纤维缠绕铝内胆复合材料气瓶的环向缠绕厚度进行了设计.随着环向纤维厚度的增加，工作压力和最小爆破压力下内胆和纤维的应力水平降低，同时纤维的应力比减小.根据DOT-CFFC标准，得出纤维单层厚度的取值范围为0.13≤t≤0.14mm.
对于纤维缠绕结构，纤维缠绕的线型是一个重要的设计参数.目前基本的纤维缠绕线型有环向缠绕、纵向缠绕和螺旋缠绕3种.环向缠绕是沿容器圆周方向进行缠绕，只能在筒身段进行，纤维缠绕的角度通常在85°~90°，缠绕工艺简单.纵向缠绕的纤维轨迹是一条单圆平面封闭曲线，缠绕角度较小，多用于粗短容器.螺旋缠绕又称为测地线缠绕，缠绕时导丝头按特定速度沿芯模绕轴线匀速自转，可以对筒身段和封头进行纤维缠绕，缠绕角度约为
缠绕工艺复杂.池秀芬等[14]通过碰撞损伤12°~70°，
研究发现螺旋缠绕方式抵抗损伤的能力要高于普
通环向缠绕方式，所以在制造复合材料压力容器时尽量采用螺旋缠绕方式.在复合材料气瓶制造中，一般采用螺旋和环向组成的缠绕形式.
y
y
-ax
（a）对称的铺层顺序（b）非对称的铺层顺序
图1
纤维缠绕的铺层顺序
·67·
徐君臣，等：纤维缠绕复合材料气瓶研究进展第4期
3复合材料气瓶失效准则
复合材料气瓶的失效主要是纤维层的失效，故
设计也主要是设计纤维层的强度.常用的失效准则有最大应力准则、最大应变准则、Tsai-Hill准则[15]、Hashin准则[16]、Hoffman准则[17]和Tsai-Wu准则[18].最
大应力准则是指如果某一种材料主方向的应力超过其强度值，材料就破坏，通常适用于对强度有要求的场合.最大应变准则也是将复合材料的各应力分量与基本强度分量相比较，区别是最大应变准则考虑了另外一个方向应力分量的影响，适用于对构件形状变形有严格要求的场合.最大应力及Tsai-Wu准则适用于拉、压应力，Tsai-Wu及Tsai-Hill准则都允许二次应力的相互作用；但Tsai-Hill准则只是二阶标准，没有线性应力，而Tsai-Wu准则有这种线性应力，并适用于平面的所有象限及三围问题.其中
表达式见式（1）：Tsai-Wu准则应用最广，
F11σ12+F22σ22+F66σ62+F1σ1+F2σ2+2F12σ1σ2≥1；
（1）
F11=，F22=，F66=2，F1=-，
XtXcYtYcStcXtXcF2=1-1，F12=-1姨1112.tc式中：F为强度系数，Xt、Xc分别为纵向的拉伸和压缩强度，Yt和Yc分别为横向的拉伸和压缩强度，Stc
为平面的剪切强度，σ1、σ2分别为纵向和横向拉应力.
张晓军等[19]采用了最大应变准则预测了纤维缠绕复合材料气瓶的爆破压力约为66MPa，而二次爆破试验中测得的爆破压力分别为65MPa和68MPa.由此可见，最大应变准则预测复合材料气瓶的爆破压力是比较准确的.Wang等[20]也基于最大应变准则，采用ANSYS有限元软件预测了碳纤维缠绕6061-T6铝内胆气瓶的爆破压力为65MPa，与实验值比较吻合.Park等[21]在考虑各种载荷和边界条件的情况下，采用剪切变形理论和Tsai-Hill失效准则分析了对称的复合材料层，并获得了最优化的设计方案.在保持强度不变的情况下，Moharrerzadeh等基于Hoffman准则对复合材料气瓶的质量进行了优化设计，并且取得了比较理想的结果.Liu等[23]采用Tsai-Wu准则设计了碳纤维缠绕铝内胆复合材料气瓶，并采用ANSYS软件分别计算了复合材料气瓶在预应力、工作压力、水压实验压力、最小破坏压力等条件下的应力值，计算结果均满足美国制定的DOT-CFFC标准的要求.这说明了理论设计的可行性，也为工程上的实际应用提供了理论依据.Antunes等[24]也采用了Tsai-Wu准则设计了聚丙烯内衬玻璃
[22]
纤维缠绕的复合材料气瓶，并采用有限元软件计算
复合层的应力以及最小的爆破压力，计算了内衬、
的结果均满足EN12245标准的要求，为实际的生产提供了理论依据.郑津洋等[25]研究了碳纤维缠绕铝内胆的储氢气瓶，采用了最大应力准则、Hoffman准则、Tsai-Hill准则和Tsai-Wu准则预测了气瓶的失效压力，结果如表2所示[25].而实验测得气瓶的爆通过对比可以看出，这4种破压力为125~126MPa，
准则预测的爆破压力与实验值一致，而Tsai-Wu准则预测的爆破压力值与实验值最接近.
表2
采用4种失效准则计算气瓶的爆破压力值
失效准则最大应力HoffmanTsai-HillTsai-Wu
爆破压力/MPa
120.6119.6119.6122.7
4复合材料气瓶的失效模式
气瓶失效是指气瓶丧失了其储存介质的功能.常见的气瓶失效模式主要分为弹性失效、屈服失效、脆性断裂失效、塑性断裂失效、疲劳断裂失效、冲击断裂失效等类型，其主要表现形式包括瓶身漏气，内胆鼓包、裂纹，纤维断裂，基体开裂、冲击损伤等.4.1
瓶身漏气
全复合材料气瓶的塑料内胆一般采用高密度聚乙烯材料，经滚塑工艺加工成型.塑料内胆主要对气瓶起密封的作用，而非强度作用；因此，其失效主要是指内胆失去其应有的密封性能，多表现为气瓶出现各种形式的泄漏.内胆由于漏气而失效的原因主要包括2个方面：一方面是内胆制造成型时产生的缺陷，这类原始缺陷在气瓶的使用过程中，经反复疲劳很可能诱发出各种形式的裂纹，最终导致内胆泄漏；另一方面是气瓶在运输、安装和使用中遇到的冲击损伤，过大的冲击力导致内胆出现裂纹等缺陷.可以通过以下措施来防止瓶身漏气而导致的失效.首先，要合理选择气瓶的制造材料，正确制定和执行标准，实行严格的质量管理和工艺过程及质量认证试验；其次，安装时要避免碰撞、划伤等；最后，使用过程中充气的速率应尽可能小，充气气压高限值应控制在20MPa以内.4.2
内胆鼓包、裂纹
据报道，在复合材料气瓶的定期检验中发现不合格气瓶中发生内胆鼓包、裂纹的气瓶占全部检测
第39卷应用科技
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气瓶数的84.85%.显然内胆鼓包、裂纹是复合材料气瓶失效的主要形式.雷闽等[26]为了确定复合材料气瓶内胆出现鼓包、裂纹缺陷产生的原因，对复合气瓶内胆材质进行力学性能、微观分析、缠绕层和内胆材料线膨胀系数测试.测试结果发现缠绕层和内胆材料的线膨胀系数不同是导致复合材料气瓶产生鼓包和裂纹的最根本原因.充放气过程中，内压和温度的低周循环也是气瓶产生缺陷的直接因素.夏立荣[27]对车用CNG全复合材料气瓶内胆鼓包的成因进行了研究，研究结果表明，气瓶受内压的变化、充放气过程中内部温度的变化、内胆材料与缠绕层复合材料线膨胀系数、弹性模量以及延伸率的差异以及结合界面本身粘结性较差等都会造成气瓶内胆鼓包，这样在气瓶内气压的高低循环下反复作用，如此一来就会对内胆的最薄弱部位产生循环折弯的疲劳损伤过程，造成内胆层微裂纹的损伤贯通，最终造成气瓶整体泄漏失效.可以适当增加内胆的刚度、在内胆与缠绕层之间增加一种缓冲材料、严格控制气瓶的泄压过程，尽可能使气瓶保持一定的余压（2MPa左右）等措施来防止气瓶内胆鼓包和裂纹的产生.4.3纤维断裂
复合材料气瓶由于在拆装、搬运、使用等过程中操作不当，使气瓶受到外力冲击、碰撞等损伤，导致复合材料气瓶表面出现划痕，进而使气瓶表面纤维断裂.在气瓶检测中往往根据经验来作为气瓶判废的标准[28-29]，如建议在割伤深度超过0.15mm或磨损露出的纤维深度超过0.25mm时气瓶便报废.这些做法缺乏一定的理论依据，会造成不必要的浪费.鉴于此，有很多学者对这方面的内容进行了研究.徐延海等[30]研究了表面损伤对全复合材料车用天然气气瓶强度的影响.文中取了气瓶嘴附近、上封头附近、筒身、下封头附近和筒底附近5个部位，在轴向和周向2个方向上设置了几种不同长度和深度的表面损伤组合来模拟纤维的断裂状态.研究结果表明，气瓶在有表面损伤时的应力值比无表面损伤时明显增大；对于相同尺度的表面损伤，轴向表面损伤对气瓶应力的影响比周向表面损伤显著；随着表面损伤长度的增加，气瓶在该处的等效应力逐渐增大；筒身表面的损伤比其他部位损伤的危害性小.Makinson等[31]研究了划痕对碳纤维缠绕聚乙烯内衬的复合材料储氢气瓶爆破压力的影响.文中研究了划痕分为纵向和环向，划痕的长度为57mm，宽
深度分别为复合层厚度11.4mm的10%、为1mm，
20%、30%和40%，对应的爆破压力分别为76.14、
69.63、59.27和52.98MPa，而没有划痕时的爆破压
力为74.3MPa，可见随着划痕深度的增加，气瓶的爆破压力逐渐减小.Kim等[32]研究了划痕对碳纤维缠绕铝内衬复合天然气气瓶疲劳寿命的影响.文中研究划痕深度为1.5、2.0、3.0和4.0mm，宽度为2
长度分别为50、一共进行了12mm，100和200mm，组实验.实验结果表明，当划痕的深度超过3.0mm，长度超过100mm时，对气瓶的疲劳寿命有显著的影响.而ISO19078标准中规定的划痕的深度要小于1.25
这是比较保守的.mm，4.4基体开裂
复合层基体开裂主要是由于树脂脆性大，断裂延伸率低，在外载荷作用下，树脂的开裂远早于纤维的断裂，使纤维附近的树脂及树脂与纤维之间的界面处产生应力集中，形成基体开裂.基体开裂会导致层间分层以及纤维拉出、断裂，最后导致材料的破坏.张晓兵等[33]对复合材料压力容器基体开裂损伤进行了研究，研究结果表明，缠绕张力能使树脂基体产生预应力，从而可提高基体抵抗开裂的能力.缠绕张力不合适会造成树脂不均匀，在循环压力载荷作用下，将产生基体开裂、裂纹不断扩展和新裂纹的产生，导致压力容器的刚度、强度下降，影响使用寿命.王晓宏等[34]采用渐近损伤的模型对纤维缠绕复合材料压力容器基体开裂损伤进行了分析，详细分析了压力容器不同部位随外载荷的增加逐渐失效的情况，与真实情况比较符合，为复合材料压力容器的设计提供了有用的参考价值.Orifici等[35]总结了基体开裂以及失效的准则，采用断裂力学理论预测了基体开裂对复合材料的破坏.可以在树脂中加入其他助剂，在保证树脂固化后具有高的强度、模量的情况下使树脂具有一定的塑性和韧性，或者采用热塑性基体，这样可以减少基体开裂的发生.4.5冲击损伤
复合材料气瓶在使用的过程中容易受到外来物体的冲击而产生损伤，并且往往在表面损伤很小，而在气瓶内表面以及缠绕层之间损伤严重.气瓶在冲击载荷作用下的损伤破坏表现为基体开裂、基体挤压、纤维断裂、分层损伤等.冲击损伤使复合材料层的寿命和强度大大下降，严重影响材料的使用.目前，对复合材料在冲击载荷作用下的研究主要集中在层合板在不同的冲击载荷作用下的损伤规律、复合材料层合板的损伤机理等上.Choi等[36-37]
通过实验和模拟的方法研究了在低速冲击载荷作用下复合材料层合板破坏的机理.在冲击载荷作
·69·
徐君臣，等：纤维缠绕复合材料气瓶研究进展第4期
用下复合层基体开裂是最开始的失效模型，由于基体开裂会导致复合层出现分层和微裂纹；初始的微
裂纹缺陷会显著降低复合层抵抗冲击破坏的性能；并且复合层的堆叠顺序对复合层的抗冲击性能有显著的影响.张彦等[38]研究了碳纤维复合材料层合板在低速冲击作用下层内和层间的失效行为，并采用有限元软件对复合材料层合板在横向低速冲击作用下的损伤和变形行为进行预测分析，模拟的结果与实验的结果比较吻合.Kaneko等[39]采用有限元的方法对在横向载荷作用下的复合材料气瓶的失效进行了分析.在建模时只考虑气瓶的筒体部分，筒体复合层最外层为玻璃纤维，其余为碳纤维缠绕，并且根据实际的情况考虑了气瓶的内压作用.模拟使用的冲击器为刚性的半球形，半径为25mm，质量为554kg，冲击的速度为10m/s.模拟结果如图2所示[39].
500400Load/kN300200100
17.5MPa
35.0MPa52.5MPa70.0MPa
力下，让容器在靠近内壁的部分厚度范围内达到屈
内壁处产生服而产生塑性变形.当自紧压力卸掉后，
残余压应力.其目的是使得容器在工作压力下，容器内外壁的拉应力能够相近些，以较充分地利用材料.纤维缠绕复合材料气瓶不算厚壁容器，但由于内胆和缠绕层材料力学性能的巨大差异，当内胆已经屈服时，纤维还处于低应力状态，纤维优良的高强度性能得不到充分发挥.复合材料气瓶面临的这个问题恰好可以通过自紧来解决.古海波等[40]采用有限元软件对2L的碳纤维全缠绕铝内胆气瓶的预紧压力进行了优化，得到了预紧压力对气瓶应力影响的结果.并对照DOT-CFFC标准，得到了预紧压力的范取最佳的预紧压力围为35.9MPa≤Ppre≤36.6MPa，
为Ppre=36.6MPa.李小明等[41]对某型复合材料气瓶进行了优化设计，自紧压力由40MPa提高到44MPa，铺层角度由10°增加到12°，而工作压力下气瓶内胆应力减少了25%，可见进行优化分析是有必要的.郑津洋等[42]对70MPa车用轻质高压复合材料储氢气瓶进行了自增强处理，内衬圆柱段的应力从147MPa下降到135MPa，而纤维层的应力有少量增加.自增强处理后，内衬材料的承载能力得到提高，在反复充装气体时，不会产生塑性变形的积累.李玮[43]采用有限元软件对4.3L碳纤维缠绕铝内胆复合材料气
05
1015Displacement/mm
2025
瓶的自紧压力进行了优化.在满足DOT-CFFC标准的情况下，自紧压力的取值范围为55.1~56.2MPa.相对未自紧气瓶而言，通过自紧作用大大提高了气瓶的力学性能，使气瓶具有很强的安全性和可靠性.5.2气瓶质量的优化
在满足气瓶强度要求的情况下，气瓶的质量是设计的重要参数.纤维的价格相对较高，通过结构优化，减薄纤维层的厚度，可以节省材料，降低成本.边文凤等[44]对纤维缠绕的车用气瓶进行了整体优化设计，从轻型角度出发给出了优化的目标函数，同时也给出了爆破压力最大的优化约束函数.这样做的目的是保证产品在安全使用的前提下，汽车有较高的动力性和较长的续驶里程.王志辉等[45]采用零阶和一阶方法并按照美国DOT-CFFC设计要求对复合材料气瓶进行了优化设计.通过优化，纤维强度转换率得到提高，复合材料层体积由306cm3减小到232cm3，气瓶的容重比由7.24提高到8.22，优化效果明显.傅强[46]对碳纤维缠绕铝内胆的高压储氢气瓶进行了整体优化设计.综合考虑筒体与封头强度、质量、尺寸、缠绕工艺等因素要求，以气瓶的质
应力、隔阻性量最小作为优化的目标函数，以容积、
和加工工艺等为约束条件，以气瓶内衬内径D0为
图2复合层从开始到穿透载荷与位移的曲线
从图2中可以看出，当气瓶内压为17.5~52.5MPa时，穿透载荷随着内压的增加而增加，主要是因为压力越高，刚度越大；当内压为70MPa时，穿透载荷反而小，由于压力太高，导致了轴向纤维失效的发生；所以可以提高压力，但必须小于安全操作压力可以增强气瓶抵抗冲击破坏的能力.
5复合材料气瓶的优化设计
优化设计的基本原理是通过建立优化模型，运用各种优化方法，求得满足设计要求范围内的目标函数极值，得到最优化方案.纤维缠绕复合材料气瓶的优化主要集中在自紧压力的优化、质量的优化等上，主要的目的是改变工作压力下内衬和纤维层的应力分配，充分发挥复合材料高强度的特点，同时在保证强度的条件下尽量减轻气瓶的质量，提高经济性.5.1
自紧压力的优化
自紧常常应用于金属厚壁高压容器.在自紧压
第39卷应用科技
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设计参数，建立了优化设计模型并给出了优化方案.Kang等[47]对CNG-2型气瓶的封头部分的形状和厚度进行了优化设计，气瓶的质量从94.7kg下降到89.9kg.郑津洋等分别采用蒙特卡罗（MonteCarlo，）、遗传算法（geneticalgorithm，）、自适应遗传MCGA算法（adaptivegeneticalgorithm，）和人工免疫系AGA统（artificialimmunesystem，）等方法对碳纤维缠AIS绕铝内胆复合材料储氢气瓶的质量进行了优化设
在保证计，结果如表3所示[48-49].从表3中可以看出，
气瓶的爆破压力的情况下，自适应遗传算法和人工免疫系统方法优化的气瓶的质量最小.
表3
使用不同方法优化结果的对比
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方法名称
质量
m/kg7.8657.7507.7327.7307.730
爆破压力P/MPa167.1165.0164.6164.5164.5
每层复合
极轴半径
层厚度
r/mm
h/mm1.411.391.381.381.38
30.930.630.030.030.0
蒙特卡罗Ⅰ蒙特卡罗Ⅱ遗传算法自适应遗传算法人工免疫系统
注：蒙特卡罗Ⅰ代表100次迭代，蒙特卡罗Ⅱ代表1000次迭代；遗传算法研究100个群体遗传1000代；自适应遗传算法研究100个群体遗传100代；人工免疫系统研究50个抗体和50次迭代.
6结束语
纤维缠绕复合材料气瓶是复合材料技术在压力容器中的重要应用，必将随着复合材料技术的发展而发展.虽然复合材料在机械强度、质轻、耐腐蚀和制造方面都取得了很大进步；但是复合材料气瓶的发展仍处在一个不断研究、不断进步的阶段，没有形成规模化、市场化的应用格局，还需要科技工作者不断的研究和探索，使其结构更加优化、性能更加稳定可靠.目前，对于全复合材料气瓶的研究相对较少，也没有制定相应的制造标准、定期检测标准和安全评定标准.全复合材料气瓶相对金属内衬复合材料气瓶具有成本低、质量轻、高压循环寿命长、防腐蚀等优点，是今后研究的重点.为了充分发挥复合材料在复合气瓶中的优势，需要不断完善应力分析理论方法和数值方法，另外加上计算机辅助分析和设计，从而使复合气瓶的结构和制造工艺得到完善.随着科技的发展，复合材料气瓶仍具有很大的研发价值和应用空间.
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