低能量沖擊對碳環(huán)氧復合材料纏繞壓力容器的結構損傷及強度影響分析

1、低能量沖擊對碳-環(huán)氧復合材料纏繞壓力容器的結構損傷及強度影響分析2007年6月第34卷第3期強度與環(huán)境STRUCTURE&ENVIRoNMENTENGINEERlNGJun.2007,b1.34.No.3低能量沖擊對碳/環(huán)氧復合材料纏繞壓力容器的結構損傷及強度影響分析王小永劉志棟池秀芬(蘭州空間技術物理研究所,蘭州730000)摘要:碳,環(huán)氧復合材料纏繞壓力容器對外界沖擊非常敏感,較低能量的沖擊就有可能造成容器結構的嚴重損傷,進而導致爆破強度的顯著降低.國外在碳,環(huán)氧復合材料纏繞壓力容器低能量沖擊研究方面取得了一些試驗結果,在對這些試驗結果進行綜合分析,提煉出了影響沖擊損傷效果

2、的相關因素,并分析了這些因素對損傷效果的影響趨勢進行了.另外對我國今后開展這方面的相關研究工作提出了一些建議.關鍵詞:結構損傷:爆破強度;低能量沖擊:碳,環(huán)氧;復合材料纏繞壓力容器中圖分類號:V411.84,V216.55文獻標識碼:A文章編號:1006.3919(2007)03.0038.8ConstructiondamageandstrengthinfluenceanalyzesoflowenergyimpactinCarbon/EpoxycompositespressurevesselsWANGXiao?-yongLIUZhi-dongCHIXiu?-fen(LanzhouInstitu

3、teofSpaceTechnologyPhysics,Lanzhou730000,China)Abstract:Carbon/epoxycompositeoverwrappedpressurevesselsareverysusceptibletooutsideimpact;Lowerenergyimpactwillcausedamageofvesselsconstructionandfurtherleadtosignificantreductioninburststrength.Someachievementhavegainedabouttestresultsforlow-energyimpa

4、ctinCarbon/epoxycompositeoverwrappedpressurevesselsatabroad,theacquiredtestresultsareanalyzedroundly;theinfluencefactorsonimpacteffectsandtheirinfluencetrendareanalyzed.Inaddition,someproposalsofdevelopingresearchforthisaspectinfutureareproposed.Keywords:constructiondamage;burststrength;low-energyim

5、pact;carbon/epoxy;COPVsl引言由于具有重量輕,可靠性高,失效模式安全等一系列優(yōu)點,碳/環(huán)氧復合材料纏繞壓力容器在航天技術領域中得到了相當廣泛的應用卜引,國外從上個世紀八十年代起就已經(jīng)在各類空問系統(tǒng)中大量使用碳/環(huán)氧復合材料纏繞壓力容器,如HS.601,HS.702衛(wèi)星平臺,FS.1300,Eurostars一2000衛(wèi)星平臺,OSCPegasus運載火箭,Centaur運載火箭上面級以及航天飛機等】;收稿日期:2006.09.07:修回日期:2006.12.13作者簡介:王小永(1968-),男,高級工程師,研究方向:航天壓力容器的研發(fā);(730000)蘭州94號信箱第3

6、4卷第3期王小永等低能量沖擊對碳/環(huán)氧復合材料纏繞壓力容器的結構損傷及強度影響分析39我國從本世紀初也開始了空間系統(tǒng)用碳/環(huán)氧復合材料纏繞壓力容器的研制,目前已經(jīng)成功研制出了性能滿足空間系統(tǒng)使用要求的碳/環(huán)氧復合材料纏繞一鈦內(nèi)襯壓力容器,并通過了動力學與空間環(huán)境試驗考核.盡管碳/環(huán)氧復合材料纏繞壓力容器的性能優(yōu)勢非常明顯,但這類復合材料壓力容J'l-界沖擊非常敏感.8,較低能量的沖擊就有可能導致容器結構嚴重損傷,進而造成容器強度的顯著降低.在容器正常的檢測,試驗,運輸及裝配等過程中,發(fā)生低能量沖擊在所難免,如跌落的工具,操作和運輸過程中的無意碰撞等.因此,全面了解和掌握這類復合材料產(chǎn)品

7、對外界低能量沖擊的響應特性,對于設計人員改進設計與制造方法,提高容器的抗沖擊性能,正確評估產(chǎn)品質量具有非常重要的意義.上世紀90年代,國外有許多研究機構對碳/環(huán)氧復合材料纏繞壓力容器的低能量沖擊損傷特性以及沖擊對容器強度的影響進行的試驗研究,取得了大量有意義的試驗數(shù)據(jù)和研究成果,我國由于在碳/環(huán)氧復合材料纏繞壓力容器研制技術的研究方面剛剛起步,還沒有任何單位對這類壓力容器的低能量沖擊損傷問題進行專門研究.國外航天技術發(fā)達國家在碳/環(huán)氧復合材料纏繞壓力容器低能量沖擊方面已經(jīng)取得一些試驗結果,通過對這些試驗結果進行了比較全面的分析,提煉出影響沖擊效果的相關因素以及它們對沖擊效果的影響趨勢.2低能量

8、沖擊對容器結構的損傷及損傷類型上個世紀90年代中期,美國Rockwell航天公司的T.E.Collins,NASA約翰遜空間中心的H.D.Beeson等人對不同規(guī)格的圓柱形和球形碳/環(huán)氧復合材料纏繞壓力容器低能量沖擊損傷行為進行了試驗研究,獲得了大量有意義的試驗數(shù)據(jù),他們在研究中所使用的試驗容器的材料,結構與性能等參數(shù)如表l所列,.表1碳纖維纏繞金屬內(nèi)襯壓力容器低能量沖擊試樣的材料,結構與性能等參數(shù)列表試驗結果表明,不同沖擊能量下的容器的結構損傷程度完全不同,能量越高,損傷越嚴重;在復合層外表面產(chǎn)生肉眼可見損傷對應有一個沖擊能量閾值,沖擊能量低于該能量閾值時,所產(chǎn)生的損傷無法用肉眼觀察到,能量

9、閾值的大小因容器結構與尺寸的不同,沖擊物形狀與尺寸的不同而不同,五種規(guī)格的試驗容器對應于不同沖擊物的沖能黽閾值如表2所列.40強度與環(huán)境2007在表2試驗容器在不同沖擊物沖擊下產(chǎn)生肉眼可見損傷對應的沖擊能量閾值分析表2中的試驗結果可以看出,對于同一種形狀的容器,容器尺寸越大,對應的沖擊能量閾值越小,這說明容器尺寸越大,其抗沖擊損傷的能力就越弱,原因可能是由于尺寸增大后,容器剛性變差的緣故;同時,沖擊物的形狀與尺寸對能量閡值也有較大的影響,沖擊物尺寸和曲率半徑越小,即沖擊物越尖銳,對應的損傷能量閾值就越小,換句話說,在相同的沖擊能量下,沖擊物越尖銳,產(chǎn)生的損傷就越為嚴重.在試驗中,H.D.Bee

10、son還利用262mm球形容器就沖擊位置對損傷效果的影響作用進行了研究【7】,結果發(fā)現(xiàn),沖擊位置越是靠近接頭,沖擊后產(chǎn)生的損傷程度就越輕,其原因是通過與接頭的連接使得該區(qū)域的剛度得到了加強,而赤道區(qū)域的沖擊對容器強度造成的降低與薄膜區(qū)域的沖擊相同.E.Collins等人在試驗中用10J68J之間的能量分別對262mm和460mm球形容器進行沖擊,然后對沖擊位置進行目視和超聲檢測,表3和表4分別列出兩種規(guī)格的球形容器在不同沖擊能量與沖擊物規(guī)格下所對應的損傷類型.表3262mm球形容器在不同沖擊物規(guī)格與沖擊能量下所對應的容器損傷類型從表3和表4中可以看出,低能量沖擊在碳/環(huán)氧復合材料纏繞壓力容器上

11、產(chǎn)生的結構損傷包括三種類型,即層間開裂,凹痕和橫穿纖維束的開裂.很顯然,在這三種損傷類型中,橫穿纖維束的開裂最為嚴重,因為纖維束是該類壓力容器載荷的主要承擔者,而復合材料相關理論認為,復合材料結構中的載荷是由各部分結構共同承擔的,某一部分的纖維發(fā)生斷裂后,其所承擔的載第34卷第3期王小永等低能量沖擊對碳/環(huán)氧復合材料纏繞壓力容器的結構損傷及強度影響分析41荷將轉嫁到臨近纖維上,而臨近纖維如果不再能夠更多的承擔額外載荷,那整個容器將會發(fā)生破壞.因此,在薄壁纖維纏繞復合材料壓力容器中,任何部位纖維的損傷都可能是相當危險的,應盡量避免這類損傷的發(fā)生.表4460mm球形容器在不同沖擊物規(guī)格與沖擊能量下

12、所對應得容器損傷類型注:一表,下未進行該項試驗.從表3和表4中還可以發(fā)現(xiàn),容器在沖擊后的結構損傷類型與沖擊能量高低密切相關,當沖擊能量較低,即略高于目視損傷閾值能量時,損傷形式一般是層問開裂或形成凹痕,而當沖擊能量高出可目視損傷閡值能量較大時,損傷全部都屬于橫穿纖維束的開裂.美國機械設計與結構中一tl,的MattTriplett等人在1997年也對碳纖維纏繞壓力容器的低能量沖擊損傷效果進行了試驗研究.他們在試驗中使用的試樣為O127mm318mm的圓柱形容器,復合層厚度1.4mm.試驗時用重量為5kg,直徑為12.5mm的球形鋼錘按不同的能量水平對容器進行沖擊試驗,然后對損傷情況進行檢查,結果

13、發(fā)現(xiàn)沖擊后容器復合層表面基本上都存在有凹痕和?'.,一一一|_一.j.圖1MattTriplett沖擊試驗中容器表面凹痕深度和裂紋長度隨沖擊能量變化曲線裂紋兩種類型的損傷,不同沖擊能量下形成的凹痕深度和裂紋長度的測量結果如表5所列,圖1是凹痕深度和裂紋長度隨沖擊能量的變化曲線.從圖1中的曲線可以非常清楚地看出,容器表面上的凹痕深度與裂紋長度都隨著沖擊能量的增大而增大,只不過裂紋長度的增大幅度要遠遠大于凹痕深度,存在這種差異的原因可能是沖擊位置處的凹陷變形要受到其周圍區(qū)域的牽制和約束,相對而言,裂紋沿容器表面擴展時受到的阻力要小得多.3低能量沖擊對容器強度的影響低能量沖擊對碳/環(huán)氧復合材

14、料壓力容器強度的影響主要表現(xiàn)在其爆破強度上,較低能量的沖擊可能造成容器爆破強度的嚴重降低鴨.爆破強度是表征壓力容器性能的一項重要技術指標,是指壓力容器在發(fā)生破裂失效前所能夠承載的最大內(nèi)壓力.E.Collins和MattTriplett在低能量沖擊試驗中對沖擊損傷后容器的爆破強度也進行了測量,測量結果分別如表6,表7所列.42強度與環(huán)境2007笠表5低能量沖擊損傷試驗中不同沖擊能量下容器表面的凹痕深度和裂紋長度表6E.Collins試驗中碳/環(huán)氧復合材料壓力容器低能沖擊后爆破強度測量結果表7MattTfipa試驗中碳,環(huán)氧復合材料壓力容器低能沖擊后爆破強度測量結果從表6和表7中可以看出,低能量沖

15、擊對容器的結構強度有很大影響,而且這種影響隨著沖擊能量的增大而增強.對于94mmx230mm柱形容器,60J的沖擊能量就可以使容器爆破強度下降33%,而對于127mmx318mm的容器,影響就更大,6.4J的能量竟然使容器爆破強度下降近60%,二者在影響程度上存在如此大的差異,可能有兩個方面的原因:第一個因素是容器的尺寸,第34卷第3期王小永等低能量沖擊對碳/環(huán)氧復合材料纏繞壓力容器的結構損傷及強度影響分析43容器尺寸越大,沖擊損傷就越嚴重,對結構強度的影響就越大;第二個因素是內(nèi)襯,金屬內(nèi)襯對復合層具有支撐作用,支撐越強,同等沖擊條件下的損傷就越輕,94mm230mm容器中的內(nèi)襯厚度為2.3m

16、m,是其復合層厚度的3.3倍,如此厚的金屬內(nèi)襯對復合層的支撐作用非常強,而這種很強的支撐大大弱化了沖擊損傷的效果,也就降低了損傷對結構強度的影響,而MattTriplett的試驗樣品127mm318mm容器中沒有內(nèi)襯.表6中的試驗結果同時顯示,低能量沖擊對容器強度的影響也存在一個最低的能量門限值,即強度降低能量閾值(TSR),沖擊能量低于該能量閾值時,不會造成容器強度的降低,只有能量高于該能量閾值的沖擊,才會導致容器強度發(fā)生下降.對于T.E.Collins試驗中的94mm230mm容器而言,這個門限值為23J,低于目視損傷所對應的沖擊能量閾值,這說明采用目視檢查的方法要判斷沖擊后容器強度是否發(fā)

17、生下降有一定的困難.H.C.Chen和E.Collins等人研究后發(fā)現(xiàn),對于94mmx230mm和168mm×508mm兩種容器,使容器爆破強度下降9%以內(nèi)的沖擊損傷,用目視的方法是檢測不出來的,必須借助于無損檢測技術pJ.4影響沖擊效果的主要因素綜合分析E.Collins,H.D.Beeson以及MattTriplett的低能量沖擊試驗結果,可以看出影響沖擊損傷效果的因素有很多,主要包括五個方面,一是沖擊能量,二是容器本身的特征,三是容器內(nèi)壓,四是沖擊物的特征,五是沖擊位置,不同的因素產(chǎn)生的影響也各不相同,下面分別加以討論.4.1沖擊能量對沖擊效果的影響沖擊能量是影響損傷效果的最基

18、本因素,也是影響作用最大的因素.從總體趨勢上看,在其圖2T.E.Collins沖擊試驗中容器爆破強度隨沖擊能量變化曲線它條件都相同的情況下,沖擊能量越大,損傷就越嚴重,相應的容器結構強度的下降程度也就越大.圖2是根據(jù)E.Collins試驗結果繪制的容器爆破強度隨沖擊能量的變化曲線.但試驗結果同時顯示,強度降低能量閩值附近的沖擊對容器的損傷和結構強度影響不具有累積性,多次沖擊的效果(包括損傷及強度降低)與沖擊次數(shù)無關,只由最嚴重的一次沖擊作用決定.4.2容器特征對沖擊效果的影響對試驗結果進行分析比較后發(fā)現(xiàn),容器的形狀,尺寸,復合層與內(nèi)襯剛度等因素對低能量沖力效果有很大的影響.相比而言,圓柱形容器

19、要比球形容器容易損傷;同種形狀的容器,尺寸越大,相同沖擊條件下的損傷就越嚴重,原因是由于容器尺寸的增大造成其剛度降低,抗損傷容限也相應降低.有內(nèi)襯容器比無內(nèi)襯容器能更有效地抵抗外界的沖擊,其原因可能是內(nèi)襯對復合層具有支撐強度與環(huán)境2007笠作用,而這種支撐提高了容器本身的剛性.另外,復合層剛度也是影響沖擊效果的一個關鍵因素,復合層剛性越好,損傷容限就越高,提高復合層剛度能夠有效改善容器的抗沖擊性能.提高復合層剛度有兩種途徑,一是增加復合層厚度;二是選擇模量更高的復合材料.4-3容器內(nèi)壓對沖擊效果的影響容器中有無內(nèi)壓以及壓力的高低對沖擊效果的影響很大.H.C.Chen的試驗結果顯示,如果將168

20、mmx508mm圓柱形容器的內(nèi)壓從零增加到0.5x最大預期工作壓力(MEOP),容器爆破強度降低百分比將從19%減小到9%,但當壓力增大到1xMEOP時,爆破強度降低百分比反而增大到24%,在1.05xMEOP時為33%E5.E.Collins也就內(nèi)壓對沖擊作用的影響進行了研究,結果發(fā)現(xiàn)當94mmx230mm圓柱形容器中充有0.5xMEOP時,容器強度降低能量閾值從無內(nèi)壓時的23J提高到42J以上,由此可見內(nèi)壓對沖擊效果的影響作用是相當大的.當內(nèi)壓低于0.5xMEOP時,沖擊效果隨容器內(nèi)壓的增加而減弱,原因是內(nèi)壓對復合層也具有支撐作用,壓力越高,支撐越強,復合層剛性越好,抵抗沖擊的能力也就越強

21、.但當容器中的壓力達到或超過其最大工作壓力時,沖擊效果反而增強,竟然超過了空載時的情況,出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是容器處于最大工作壓力或以上時,盡管剛性較0.5xMEOP下有一定程度的提高,但此時容器外層的環(huán)向纖維處于高應力狀態(tài),對沖擊異常敏感,較低能量的沖擊就可能造成外層纖維的嚴重損傷,甚至發(fā)生纖維斷裂的現(xiàn)象.4.4沖擊物特征對沖擊效果的影響沖擊物的形狀與尺寸也對沖擊效果有一定的影響,分析E.Collins等人的試驗結果后發(fā)現(xiàn),在給定的沖擊能量和沖擊對象保持不變的情況下,沖擊物尺寸越小,曲率越大,沖擊效果越明顯,尖銳物體的沖擊損傷效果要比扁平物體嚴重得多,從表2中的試驗數(shù)據(jù)中可以非常明顯地看出

22、這一點.4.5沖擊位置對沖擊效果的影響還有一個影響容器沖擊效果的因素,那就是沖擊位置,在其它條件都完全相同的情況下,在容器的不同位置處進行沖擊產(chǎn)生的效果差異很大.而對于球形容器,沖擊點越靠近極軸處,其損傷就越輕,赤道與薄膜區(qū)域的沖擊容限基本相同;對于圓柱形容器,由于圓柱段的剛度明顯低于封頭部位,因此,柱段部位要比封頭部位更容易損傷.5結論綜合上述分析,可以得出如下結論:1)低能量(能量低于60J)沖擊能夠導致碳/環(huán)氧復合材料纏繞壓力容器結構的嚴重損傷和強度的顯著下降.2)對于碳/環(huán)氧復合材料纏繞壓力容器,存在一個強度降低能量閡值,低于該閾值的能量沖擊不會造成容器爆破強度的降低,強度降低能量閾值

23、的高低與容器的結構和尺寸,沖擊物尺寸,復合層厚度等因素有關.3)有許多因素影響碳/環(huán)氧復合材料纏繞壓力容器的低能量沖擊效果,如沖擊能量,沖擊位置,容器形狀與尺寸,容器內(nèi)壓,沖擊物的形狀與尺寸等.4)提高對復合材料纏繞層的支撐可明顯改善碳/環(huán)氧復合材料纏繞壓力容器的抗沖擊性能,第34卷第3期王小永等低能量沖擊對碳/環(huán)氧復合材料纏繞壓力容器的結構損傷及強度影響分析45比如在容器中使用剛性較好的金屬內(nèi)襯以及在容器中充以適當?shù)膲毫Φ?51在借鑒國外研究成果基礎上,針對我國航天器用碳/環(huán)氧復合材料纏繞壓力容器的具體結構特征,全面,系統(tǒng)地開展低能量沖擊對容器結構的損傷及結構強度影響方面的試驗研究,對進一步提高我國碳/環(huán)氧復合材料壓力容器的研制技術水平,建立和完善產(chǎn)品的質量控制,監(jiān)測及評價體系,縮小與航天大國之問的技術差距,提高參與國際競爭的能力具有非常重要的意義.參考文獻1R.C.Haddock,F.J.Darms.SpaceSystemApplicationsofAdvancedCompositeFiber/MetalPressureVesselsC.AIAA902227:1.EdgarE.Morris.Advancesincompositefiber/metalpressurevessel