低能量冲击对碳环氧复合材料缠绕压力容器的结构损伤及强度影响分析

1、低能量冲击对碳-环氧复合材料缠绕压力容器的结构损伤及强度影响分析2007年6月第34卷第3期强度与环境STRUCTURE&ENVIRoNMENTENGINEERlNGJun.2007,b1.34.No.3低能量冲击对碳/环氧复合材料缠绕压力容器的结构损伤及强度影响分析王小永刘志栋池秀芬(兰州空间技术物理研究所,兰州730000)摘要:碳,环氧复合材料缠绕压力容器对外界冲击非常敏感,较低能量的冲击就有可能造成容器结构的严重损伤,进而导致爆破强度的显着降低.国外在碳,环氧复合材料缠绕压力容器低能量冲击研究方面取得了一些试验结果,在对这些试验结果进行综合分析,提炼出了影响冲击损伤效果

2、的相关因素,并分析了这些因素对损伤效果的影响趋势进行了.另外对我国今后开展这方面的相关研究工作提出了一些建议.关键词:结构损伤:爆破强度;低能量冲击:碳,环氧;复合材料缠绕压力容器中图分类号:V411.84,V216.55文献标识码:A文章编号: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引言由于具有重量轻,可靠性高,失效模式安全等一系列优点,碳/环氧复合材料缠绕压力容器在航天技术领域中得到了相当广泛的应用卜引,国外从上个世纪八十年代起就已经在各类空问系统中大量使用碳/环氧复合材料缠绕压力容器,如HS.601,HS.702卫星平台,FS.1300,Eurostars一2000卫星平台,OSCPegasus运载火箭,Centaur运载火箭上面级以及航天飞机等】;收稿日期:2006.09.07:修回日期:2006.12.13作者简介:王小永(1968-),男,高级工程师,研究方向:航天压力容器的研发;(730000)兰州94号信箱第3

6、4卷第3期王小永等低能量冲击对碳/环氧复合材料缠绕压力容器的结构损伤及强度影响分析39我国从本世纪初也开始了空间系统用碳/环氧复合材料缠绕压力容器的研制,目前已经成功研制出了性能满足空间系统使用要求的碳/环氧复合材料缠绕一钛内衬压力容器,并通过了动力学与空间环境试验考核.尽管碳/环氧复合材料缠绕压力容器的性能优势非常明显,但这类复合材料压力容J'l-界冲击非常敏感.8,较低能量的冲击就有可能导致容器结构严重损伤,进而造成容器强度的显着降低.在容器正常的检测,试验,运输及装配等过程中,发生低能量冲击在所难免,如跌落的工具,操作和运输过程中的无意碰撞等.因此,全面了解和掌握这类复合材料产品

7、对外界低能量冲击的响应特性,对于设计人员改进设计与制造方法,提高容器的抗冲击性能,正确评估产品质量具有非常重要的意义.上世纪90年代,国外有许多研究机构对碳/环氧复合材料缠绕压力容器的低能量冲击损伤特性以及冲击对容器强度的影响进行的试验研究,取得了大量有意义的试验数据和研究成果,我国由于在碳/环氧复合材料缠绕压力容器研制技术的研究方面刚刚起步,还没有任何单位对这类压力容器的低能量冲击损伤问题进行专门研究.国外航天技术发达国家在碳/环氧复合材料缠绕压力容器低能量冲击方面已经取得一些试验结果,通过对这些试验结果进行了比较全面的分析,提炼出影响冲击效果的相关因素以及它们对冲击效果的影响趋势.2低能量

8、冲击对容器结构的损伤及损伤类型上个世纪90年代中期,美国Rockwell航天公司的T.E.Collins,NASA约翰逊空间中心的H.D.Beeson等人对不同规格的圆柱形和球形碳/环氧复合材料缠绕压力容器低能量冲击损伤行为进行了试验研究,获得了大量有意义的试验数据,他们在研究中所使用的试验容器的材料,结构与性能等参数如表l所列,.表1碳纤维缠绕金属内衬压力容器低能量冲击试样的材料,结构与性能等参数列表试验结果表明,不同冲击能量下的容器的结构损伤程度完全不同,能量越高,损伤越严重;在复合层外表面产生肉眼可见损伤对应有一个冲击能量阈值,冲击能量低于该能量阈值时,所产生的损伤无法用肉眼观察到,能量

9、阈值的大小因容器结构与尺寸的不同,冲击物形状与尺寸的不同而不同,五种规格的试验容器对应于不同冲击物的冲能黾阈值如表2所列.40强度与环境2007在表2试验容器在不同冲击物冲击下产生肉眼可见损伤对应的冲击能量阈值分析表2中的试验结果可以看出,对于同一种形状的容器,容器尺寸越大,对应的冲击能量阈值越小,这说明容器尺寸越大,其抗冲击损伤的能力就越弱,原因可能是由于尺寸增大后,容器刚性变差的缘故;同时,冲击物的形状与尺寸对能量阂值也有较大的影响,冲击物尺寸和曲率半径越小,即冲击物越尖锐,对应的损伤能量阈值就越小,换句话说,在相同的冲击能量下,冲击物越尖锐,产生的损伤就越为严重.在试验中,H.D.Bee

10、son还利用262mm球形容器就冲击位置对损伤效果的影响作用进行了研究【7】,结果发现,冲击位置越是靠近接头,冲击后产生的损伤程度就越轻,其原因是通过与接头的连接使得该区域的刚度得到了加强,而赤道区域的冲击对容器强度造成的降低与薄膜区域的冲击相同.E.Collins等人在试验中用10J68J之间的能量分别对262mm和460mm球形容器进行冲击,然后对冲击位置进行目视和超声检测,表3和表4分别列出两种规格的球形容器在不同冲击能量与冲击物规格下所对应的损伤类型.表3262mm球形容器在不同冲击物规格与冲击能量下所对应的容器损伤类型从表3和表4中可以看出,低能量冲击在碳/环氧复合材料缠绕压力容器上

11、产生的结构损伤包括三种类型,即层间开裂,凹痕和横穿纤维束的开裂.很显然,在这三种损伤类型中,横穿纤维束的开裂最为严重,因为纤维束是该类压力容器载荷的主要承担者,而复合材料相关理论认为,复合材料结构中的载荷是由各部分结构共同承担的,某一部分的纤维发生断裂后,其所承担的载第34卷第3期王小永等低能量冲击对碳/环氧复合材料缠绕压力容器的结构损伤及强度影响分析41荷将转嫁到临近纤维上,而临近纤维如果不再能够更多的承担额外载荷,那整个容器将会发生破坏.因此,在薄壁纤维缠绕复合材料压力容器中,任何部位纤维的损伤都可能是相当危险的,应尽量避免这类损伤的发生.表4460mm球形容器在不同冲击物规格与冲击能量下

12、所对应得容器损伤类型注:一表,下未进行该项试验.从表3和表4中还可以发现,容器在冲击后的结构损伤类型与冲击能量高低密切相关,当冲击能量较低,即略高于目视损伤阈值能量时,损伤形式一般是层问开裂或形成凹痕,而当冲击能量高出可目视损伤阂值能量较大时,损伤全部都属于横穿纤维束的开裂.美国机械设计与结构中一tl,的MattTriplett等人在1997年也对碳纤维缠绕压力容器的低能量冲击损伤效果进行了试验研究.他们在试验中使用的试样为O127mm318mm的圆柱形容器,复合层厚度1.4mm.试验时用重量为5kg,直径为12.5mm的球形钢锤按不同的能量水平对容器进行冲击试验,然后对损伤情况进行检查,结果

13、发现冲击后容器复合层表面基本上都存在有凹痕和?'.,一一一|_一.j.图1MattTriplett冲击试验中容器表面凹痕深度和裂纹长度随冲击能量变化曲线裂纹两种类型的损伤,不同冲击能量下形成的凹痕深度和裂纹长度的测量结果如表5所列,图1是凹痕深度和裂纹长度随冲击能量的变化曲线.从图1中的曲线可以非常清楚地看出,容器表面上的凹痕深度与裂纹长度都随着冲击能量的增大而增大,只不过裂纹长度的增大幅度要远远大于凹痕深度,存在这种差异的原因可能是冲击位置处的凹陷变形要受到其周围区域的牵制和约束,相对而言,裂纹沿容器表面扩展时受到的阻力要小得多.3低能量冲击对容器强度的影响低能量冲击对碳/环氧复合材

14、料压力容器强度的影响主要表现在其爆破强度上,较低能量的冲击可能造成容器爆破强度的严重降低鸭.爆破强度是表征压力容器性能的一项重要技术指标,是指压力容器在发生破裂失效前所能够承载的最大内压力.E.Collins和MattTriplett在低能量冲击试验中对冲击损伤后容器的爆破强度也进行了测量,测量结果分别如表6,表7所列.42强度与环境2007笠表5低能量冲击损伤试验中不同冲击能量下容器表面的凹痕深度和裂纹长度表6E.Collins试验中碳/环氧复合材料压力容器低能冲击后爆破强度测量结果表7MattTfipa试验中碳,环氧复合材料压力容器低能冲击后爆破强度测量结果从表6和表7中可以看出,低能量冲

15、击对容器的结构强度有很大影响,而且这种影响随着冲击能量的增大而增强.对于94mmx230mm柱形容器,60J的冲击能量就可以使容器爆破强度下降33%,而对于127mmx318mm的容器,影响就更大,6.4J的能量竟然使容器爆破强度下降近60%,二者在影响程度上存在如此大的差异,可能有两个方面的原因:第一个因素是容器的尺寸,第34卷第3期王小永等低能量冲击对碳/环氧复合材料缠绕压力容器的结构损伤及强度影响分析43容器尺寸越大,冲击损伤就越严重,对结构强度的影响就越大;第二个因素是内衬,金属内衬对复合层具有支撑作用,支撑越强,同等冲击条件下的损伤就越轻,94mm230mm容器中的内衬厚度为2.3m

16、m,是其复合层厚度的3.3倍,如此厚的金属内衬对复合层的支撑作用非常强,而这种很强的支撑大大弱化了冲击损伤的效果,也就降低了损伤对结构强度的影响,而MattTriplett的试验样品127mm318mm容器中没有内衬.表6中的试验结果同时显示,低能量冲击对容器强度的影响也存在一个最低的能量门限值,即强度降低能量阈值(TSR),冲击能量低于该能量阈值时,不会造成容器强度的降低,只有能量高于该能量阈值的冲击,才会导致容器强度发生下降.对于T.E.Collins试验中的94mm230mm容器而言,这个门限值为23J,低于目视损伤所对应的冲击能量阈值,这说明采用目视检查的方法要判断冲击后容器强度是否发

17、生下降有一定的困难.H.C.Chen和E.Collins等人研究后发现,对于94mmx230mm和168mm×508mm两种容器,使容器爆破强度下降9%以内的冲击损伤,用目视的方法是检测不出来的,必须借助于无损检测技术pJ.4影响冲击效果的主要因素综合分析E.Collins,H.D.Beeson以及MattTriplett的低能量冲击试验结果,可以看出影响冲击损伤效果的因素有很多,主要包括五个方面,一是冲击能量,二是容器本身的特征,三是容器内压,四是冲击物的特征,五是冲击位置,不同的因素产生的影响也各不相同,下面分别加以讨论.4.1冲击能量对冲击效果的影响冲击能量是影响损伤效果的最基

18、本因素,也是影响作用最大的因素.从总体趋势上看,在其图2T.E.Collins冲击试验中容器爆破强度随冲击能量变化曲线它条件都相同的情况下,冲击能量越大,损伤就越严重,相应的容器结构强度的下降程度也就越大.图2是根据E.Collins试验结果绘制的容器爆破强度随冲击能量的变化曲线.但试验结果同时显示,强度降低能量闽值附近的冲击对容器的损伤和结构强度影响不具有累积性,多次冲击的效果(包括损伤及强度降低)与冲击次数无关,只由最严重的一次冲击作用决定.4.2容器特征对冲击效果的影响对试验结果进行分析比较后发现,容器的形状,尺寸,复合层与内衬刚度等因素对低能量冲力效果有很大的影响.相比而言,圆柱形容器

19、要比球形容器容易损伤;同种形状的容器,尺寸越大,相同冲击条件下的损伤就越严重,原因是由于容器尺寸的增大造成其刚度降低,抗损伤容限也相应降低.有内衬容器比无内衬容器能更有效地抵抗外界的冲击,其原因可能是内衬对复合层具有支撑强度与环境2007笠作用,而这种支撑提高了容器本身的刚性.另外,复合层刚度也是影响冲击效果的一个关键因素,复合层刚性越好,损伤容限就越高,提高复合层刚度能够有效改善容器的抗冲击性能.提高复合层刚度有两种途径,一是增加复合层厚度;二是选择模量更高的复合材料.4-3容器内压对冲击效果的影响容器中有无内压以及压力的高低对冲击效果的影响很大.H.C.Chen的试验结果显示,如果将168

20、mmx508mm圆柱形容器的内压从零增加到0.5x最大预期工作压力(MEOP),容器爆破强度降低百分比将从19%减小到9%,但当压力增大到1xMEOP时,爆破强度降低百分比反而增大到24%,在1.05xMEOP时为33%E5.E.Collins也就内压对冲击作用的影响进行了研究,结果发现当94mmx230mm圆柱形容器中充有0.5xMEOP时,容器强度降低能量阈值从无内压时的23J提高到42J以上,由此可见内压对冲击效果的影响作用是相当大的.当内压低于0.5xMEOP时,冲击效果随容器内压的增加而减弱,原因是内压对复合层也具有支撑作用,压力越高,支撑越强,复合层刚性越好,抵抗冲击的能力也就越强

21、.但当容器中的压力达到或超过其最大工作压力时,冲击效果反而增强,竟然超过了空载时的情况,出现这种现象的原因可能是容器处于最大工作压力或以上时,尽管刚性较0.5xMEOP下有一定程度的提高,但此时容器外层的环向纤维处于高应力状态,对冲击异常敏感,较低能量的冲击就可能造成外层纤维的严重损伤,甚至发生纤维断裂的现象.4.4冲击物特征对冲击效果的影响冲击物的形状与尺寸也对冲击效果有一定的影响,分析E.Collins等人的试验结果后发现,在给定的冲击能量和冲击对象保持不变的情况下,冲击物尺寸越小,曲率越大,冲击效果越明显,尖锐物体的冲击损伤效果要比扁平物体严重得多,从表2中的试验数据中可以非常明显地看出

22、这一点.4.5冲击位置对冲击效果的影响还有一个影响容器冲击效果的因素,那就是冲击位置,在其它条件都完全相同的情况下,在容器的不同位置处进行冲击产生的效果差异很大.而对于球形容器,冲击点越靠近极轴处,其损伤就越轻,赤道与薄膜区域的冲击容限基本相同;对于圆柱形容器,由于圆柱段的刚度明显低于封头部位,因此,柱段部位要比封头部位更容易损伤.5结论综合上述分析,可以得出如下结论:1)低能量(能量低于60J)冲击能够导致碳/环氧复合材料缠绕压力容器结构的严重损伤和强度的显着下降.2)对于碳/环氧复合材料缠绕压力容器,存在一个强度降低能量阂值,低于该阈值的能量冲击不会造成容器爆破强度的降低,强度降低能量阈值

23、的高低与容器的结构和尺寸,冲击物尺寸,复合层厚度等因素有关.3)有许多因素影响碳/环氧复合材料缠绕压力容器的低能量冲击效果,如冲击能量,冲击位置,容器形状与尺寸,容器内压,冲击物的形状与尺寸等.4)提高对复合材料缠绕层的支撑可明显改善碳/环氧复合材料缠绕压力容器的抗冲击性能,第34卷第3期王小永等低能量冲击对碳/环氧复合材料缠绕压力容器的结构损伤及强度影响分析45比如在容器中使用刚性较好的金属内衬以及在容器中充以适当的压力等.51在借鉴国外研究成果基础上,针对我国航天器用碳/环氧复合材料缠绕压力容器的具体结构特征,全面,系统地开展低能量冲击对容器结构的损伤及结构强度影响方面的试验研究,对进一步提高我国碳/环氧复合材料压力容器的研制技术水平,建立和完善产品的质量控制,监测及评价体系,缩小与航天大国之问的技术差距,提高参与国际竞争的能力具有非常重要的意义.参考文献1R.C.Haddock,F.J.Darms.SpaceSystemApplicationsofAdvancedCompositeFiber/MetalPressureVesselsC.AIAA902227:1.EdgarE.Morris.Advancesincompositefiber/metalpressurevessel