浅谈钢质内胆环向缠绕气瓶复合层表面裂纹产生机理

　　下面文章针对钢内胆环向缠绕气瓶复合材料层产生的环向裂纹，以及轴向裂纹的现象展开研究，并对气瓶复合材料层进行受力分析，探讨裂纹产生的机理，而且进一步的提出改进建议。

　　关键词：天然气,金属内胆环缠气瓶,环向/轴向裂纹

　　1引言

　　随着世界能源短缺，近几年，清洁可再生能源日益受到各国政府的重视。目前我国天然气汽车主要是纯钢瓶(CNG1)和钢内胆玻璃纤维环向缠绕气瓶(CNG2)，缠绕气瓶因其容重比优于钢瓶，在汽车轻量化的大趋势下，市场占比越来越高。

　　按照GB24160，环向缠绕气瓶内胆材料采用30CrMo合金钢，复合层用浸渍树脂的玻璃纤维连续在内胆的筒体部分进行环向缠绕。气瓶经过自紧过程后，气瓶缠绕层为载荷的主要载体，正因为如此，气瓶缠绕层会不可避免出现各类缺陷，表面裂纹是其中的一种现象，常见的有环向裂纹和轴向裂纹，本篇对裂纹产生的机理进行探讨，提出复合材料表面质量优化建议。

　　2环向缠绕气瓶复合层受力状况分析

　　2.1气瓶受力分析

　　复合材料层和内胆均受到三维方向的应力，它们分别为纵向应力(沿着纤维方向，又叫环向应力，记σ1)、横向应力(垂直纤维方向，又叫轴向应力，记σ2)、径向应力(等于内胆所施加的应力)。复合材料层具有两相，即树脂基体相和增强材料玻璃纤维相。对于树脂基体而言，它是各向同性材料。对于增强材料玻璃纤维相，沿着纤维方向的应力最大。

　　一般而言，玻璃纤维的弹性模量要远远大于树脂的弹性模量，高达106级比值，因此玻璃纤维的强度要比树脂基体的强度大很多，甚至纵向方向上完全可以忽略树脂基体强度对复合材料强度的贡献。

　　3环向缠绕气瓶环向/轴向裂纹机理探讨

　　3.1环向裂纹机理分析探讨

　　在给复合气瓶施加内压载荷(如自紧压力)时，内胆层会同时受到横向应力和纵向应力并产生应变。当所施加的内压载荷足够小时，通过内胆层传递给复合材料层的内压载荷足够小(小于σ2)，复合材料层不会发生任何失效，因此环向和轴向裂纹都不会产生。

　　当所施加内压载荷逐渐增大时，内胆层逐渐从弹性阶段过渡到塑性阶段，内胆层应力和应变不断增大，同时内胆层不断把内压载荷和自身产生的应变传递给复合材料层。当传递给复合材料层的应力大于σ2时，此时树脂基体先发生失效，即产生环向裂纹。环向裂纹出现是产品结构应力分布所决定的。要完全消除环向裂纹，可以一方面提高内胆强度和不断降低内压载荷，另一方面改变产品结构并且大幅度提高树脂基体强度，基于目前的树脂体系、产品结构设计和工艺设计，这是不太现实的，因此环向裂纹不可避免。

　　3.2轴向裂纹机理分析探讨

　　轴向裂纹的产生和σ1关系密切。因为σ1>>σ2，所以轴向裂纹的出现要落后于环向裂纹。轴向的复合材料层失效可以分成纤维先断裂和树脂先断裂两种模式。对于复合气瓶来讲，由于复合材料层玻璃纤维体积含量大约70%，而且玻璃纤维弹性模量要远大于树脂基体弹性模量，树脂基体只承受小部分载荷，故当基体破坏时，向纤维转移的应力载荷不足以引起纤维的断裂，假设施加给内胆的载荷不断增大直至达到纤维的断裂强度，导致纤维最终失效，此时气瓶整个复合材料层最终失效。

　　由于气瓶自紧过程中施加给内胆的载荷要远远小于纤维的断裂强度，所以气瓶自紧过程之后，只看到沿着轴向的树脂基体出现裂纹而不会看到纤维断裂。轴向裂纹的产生一方面和复合材料层两相材料的应变有一定关系外，还和内胆应变有着极度密切的正相关关系。内胆层应变(膨胀量)过大，因环向应变大于轴向应变，将会使得轴向方向的树脂基体很快进入断裂失效模式，甚至在环向裂纹来不及密集发生时，它已经开始出现。根据结构系统能量守恒定律，当轴向裂纹出现时，它将和环向裂纹一道释放内压载荷。

　　因此，轴向裂纹出现将起到抑制环向裂纹进一步增生的作用，两者一道最终达到平衡状态，此时内压载荷也释放完毕。轴向裂纹完全可以消除。一方面通过提高内胆强度，另一方面，通过优化固化工艺制度和树脂体系进一步提高树脂的断裂线应变，使其和玻璃纤维断裂线应变相一致甚至超越，以达到受纵向应力载荷时一同变形，通过纤维的弹性形变更多地吸收内压载荷，从而抑制轴向裂纹的产生。最后，可以减小内压载荷的升压速率，以保证树脂基体有充分的反应时间通过界面相把内压载荷传递给玻璃纤维。

　　4结论

　　通过以上分析可以得出如下结论：缠绕气瓶的环向和轴向裂纹的出现主要是气瓶在自紧过程中，内胆残余变形过大，复合材料层承受的压力较大，致使表面出现了环向或轴向裂纹。环向裂纹不可避免。气瓶轴向裂纹主要是树脂基体出现的表面裂纹，对气瓶爆破性能有很大的影响，可以通过内胆强度的控制，优化缠绕固化工艺等手段则完全可以避免。

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