一种耐高温高压碳纤维聚酰亚胺复合材料气瓶设计方法
阅读说明：本技术 一种耐高温高压碳纤维聚酰亚胺复合材料气瓶设计方法 (Design method of high-temperature-resistant high-pressure-resistant carbon fiber polyimide composite gas cylinder ) 是由 王冲 廉彬 胡森 王维东 张著 徐铁峰 于 2020-12-18 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种耐高温高压碳纤维聚酰亚胺复合材料气瓶设计方法,第一步,聚酰亚胺作为碳纤维浸渍树脂,并测试其各种性能,用于有限元分析；第二步,设定金属内衬尺寸,气瓶瓶包括薄壁筒身段和前后封头段,封头采用内、外型面双椭圆设计,计算碳纤维聚酰亚胺复合材料层和聚酰亚胺高温应变补偿层；第三步：利用有限元仿真计算；第四步：优化调整；第五步：进行试验件爆破和分析对比。本申请可以设计出可以实现环境温度在250℃-400℃,和高压情况下,最接近气瓶实际应力结构的设计方案,适用于高温条件下复合材料层受理分析设计方案的制定,不仅限于聚酰亚胺碳纤维复合材料,也适应于其它高强度纤维连接材料。(The invention discloses a design method of a high-temperature and high-pressure resistant carbon fiber polyimide composite gas cylinder, which comprises the following steps of firstly, taking polyimide as carbon fiber impregnating resin, testing various performances of the carbon fiber impregnating resin and using the polyimide for finite element analysis; secondly, setting the size of a metal lining, wherein the gas cylinder comprises a thin-wall cylinder body section and front and rear head sealing sections, the head sealing adopts a double-ellipse design of inner and outer profile, and a carbon fiber polyimide composite material layer and a polyimide high-temperature strain compensation layer are calculated; the third step: utilizing finite element simulation calculation; the fourth step: optimizing and adjusting; the fifth step: test piece blasting and analytical comparison were performed. The design scheme can be designed to realize that the environmental temperature is 250-400 ℃ and the actual stress structure of the gas cylinder is closest to the high-pressure condition, is suitable for making the composite material layer acceptance analysis design scheme under the high-temperature condition, is not limited to polyimide carbon fiber composite materials, and is also suitable for other high-strength fiber connecting materials.)
技术领域
本发明涉及一种耐高温高压碳纤维聚酰亚胺复合材料气瓶技术领域。
背景技术
目前，国内外在军用火箭、导弹、飞机以及民用汽车、天然气储存压力容器等方面已经广泛应用了复合材料气瓶，随着军用高结构效率、高飞行马赫导弹、飞行器的不断发展，复合材料气瓶使用环境条件也随之提高，耐高温、高承载复合材料气瓶已经成了航空航天领域气瓶发展的一种趋势。
目前国内外广泛采用的复合材料气瓶结构为金属内衬+复合材料缠绕层的方案，因该复合材料气瓶缠绕层主要采用环氧树脂体系，复合材料气瓶最高使用温度收环氧树脂体系屋里耐热属性限制，一般不会超过250℃，于是导致环氧树脂体系复合材料气瓶无法满足更高的环境使用温度要求。
聚酰亚胺耐热温度最高可达600℃以上，长期使用温度范围在200～500℃，是国际上通用的耐高温、高承载结构的主体材料。在目前的发展现状下，碳纤维聚酰亚胺复合材料越来越多的用于高压气瓶，如专利申请2017105985041中公开的瓶体结构，瓶体包括金属内衬和金属内衬外缠绕的复合材料外壳，其中复合材料外壳为碳纤维材料粘附聚酰亚胺胶液缠绕在金属内衬并高温固化成型的。但是由于聚酰亚胺的玻璃化转变温度、横向及纵向平均线胀系数、热导率等性能与以往完全不同，无法套用，而且根据气瓶形状的不同，缠绕层的厚度分布也会导致力学性能的不同。为了满足高温高压的工作环境要求，同时也满足轻量化的设计要求，合理的缠绕形状及厚度分布，是需要全新的设计方案。
发明内容
本发明所解决的技术问题是提出一种耐高温高压碳纤维聚酰亚胺复合材料气瓶设计方法，解决金属内衬和复合材料层热膨胀应变相差较大导致的复合材料气瓶实际承压能力减低的问题，以实现环境温度在250℃-400℃条件时复合材料气瓶的应用。
本发明采用的技术方案是一种耐高温高压碳纤维聚酰亚胺复合材料气瓶设计方法，包括以下步骤：
第一步，聚酰亚胺作为碳纤维浸渍树脂，并测试其以下性能，玻璃化转变温度、密度、450-550℃温域内的比热容、热导率、单向板RT～500℃时横向平均线胀系数、单向板RT～500℃时纵向平均线胀系数、5％热失重温度、500℃空气中1800s热失重，作出记录用于有限元分析；
第二步，设定金属内衬尺寸，计算碳纤维聚酰亚胺复合材料层和聚酰亚胺高温应变补偿层；气瓶包括薄壁筒身段和前后封头段，封头采用内、外型面双椭圆设计，外椭圆截面曲线C1和内椭圆截面曲线C2，
曲线C1的公式为：
其中：
ai为曲线C1上任意一点横坐标值；
bi为曲线C1上任意一点纵坐标值；
X1为外椭圆短轴长度值；
Y1为外椭圆长轴长度值。
曲线2的椭圆方程式为公式：
其中：
ci为曲线C2上任意一点横坐标值；
di为曲线C2上任意一点纵坐标值；
X2为内椭圆短轴长度值；
Y2为内椭圆长轴长度值。
其中X1/Y1取值范围为0.73-0.76，0.75，X2/Y2取值范围,0.61-0.63，0.625，
第三步：利用有限元仿真计算方法，
金属内衬与高温应变补偿层连接，高温应变补偿层与碳纤维聚酰亚胺复合材料层连接，采用表面—表面接触方式，设定小滑移模式，并设定金属内衬、高温应变补偿层、碳纤维聚酰亚胺复合材料层的参数；
第四步：当上一步的模型应变结果不满足尺寸匹配水平或应力结果超过材料许用应力水平时，重新匹配聚酰亚胺高温应变补充层壁厚的方法，并优化金属内衬直线段与椭圆的圆弧过渡段半径及壁厚。
第五步：进行试验件爆破，并和设计方案试验件爆破结果进行对比。
本发明的有益效果是，满足轻量化要求以及气瓶厚度要求的同时，设计出可以实现环境温度在250℃-400℃，和高压情况下的复合材料气瓶，提出一种最接近气瓶实际应力结构的设计方案，适用于高温条件下复合材料层受理分析设计方案的制定，不仅限于聚酰亚胺碳纤维复合材料，也适应于其它高强度纤维连接材料。
附图说明
图1为本发明的碳纤维聚酰亚胺复合材料气瓶结构示意图。
图2为封头处结构示意图。
图3为图2中A区域部分放大图。
图4为高温应变补偿层在封头出得厚度变化示意图。
图中标记为：1-聚酰亚胺复合材料层，2-高温应变补偿层，3-金属内衬。
具体实施方式
下面对具体技术方案进行说明。
具体步骤为：
第一步，根据复合材料气瓶设计要求中最高400℃的使用温度和3MPa(常温20℃条件下)的工作压力指标，运用聚酰亚胺作为碳纤维浸渍树脂，并对其物理属性进行性能测试确定，具体数据见表1.
热物理性能
参数
备注
玻璃化转变温度(℃)
482
密度(g/cm<sup>3</sup>)
1.6
450-550℃温域内的比热容J/(g.K)
1.67～1.75
热导率(W/(m.K))
0.86～0.95
单向板RT～500℃时横向平均线胀系数
8.5×10<sup>-6</sup>/K
单向板RT～500℃时纵向平均线胀系数
0.19×10<sup>-6</sup>/K
5％热失重温度(℃)
600
500℃空气中1800s热失重(石英灯)
0.1％
第二步：根据复合材料气瓶设计要求中容积、外形包络尺寸、允许的最高工作压强指标，进行金属内衬结构设计：金属内衬构型选择长径比大于2的长圆柱形，按照工程经验内胆筒体壁厚取1mm，封头采用椭圆形，如图2所示，
封头采用内、外型面双椭圆设计，外椭圆截面曲线C1和内椭圆截面曲线C2，椭圆与直筒过渡位置如图3所示，通过半径为R的圆弧段过渡。
建立如图1的坐标系，曲线C1的公式即为：
其中：
ai为曲线C1上任意一点横坐标值；
bi为曲线C1上任意一点纵坐标值；
X1为外椭圆短轴长度值；
Y1为外椭圆长轴长度值。
曲线2的椭圆方程式为公式：
其中：
ci为曲线C2上任意一点横坐标值；
di为曲线C2上任意一点纵坐标值；
X2为内椭圆短轴长度值；
Y2为内椭圆长轴长度值。
其中X1/Y1最佳数值为0.75，X2/Y2最佳数值为0.625，
本申请的最佳实施例为
曲线C1为方程
曲线C2为方程
上述数值的单位均为毫米。此时，R取40mm-50mm，根据爆破试验验证，在符合尺寸要求的情况下，采用此实施例的气瓶的承压能力最为优异。
给定初始模型，至此，内胆尺寸分配完成。
计算分配碳纤维聚酰亚胺复合材料层和高温应变补偿层：
因为气瓶分为薄壁筒身段和前后封头段，几何尺寸不同带来了热膨胀的不同，本发明提出了一种非均匀壁厚补偿层的结构形式，如图1所示。
考虑到封头处存在轴向和径向膨胀的综合影响，轴向热膨胀变化量更为明显，故直筒段采用均匀的高温应变补偿层，封头处采用轴向加厚的高温应变补偿层设计，所以在封头处出现了由薄到厚的高温应变补偿层设计，如图4所示，厚度取值范围可取瓶身高温应变补偿层厚度的2-3倍，在本实施例中取值0.3mm-1.0mm。
补偿层设计方法：
选取平均线性热膨胀系数作为计算，选取一段温度范围内平均线性热膨胀系数作为热膨胀系数，然后依据公式：
△L＝L×△T×β…………………………公式5
其中：△L-----热膨胀变化量
L-----热膨胀计算初始长度
△T-----温度变化量
β----平均线膨胀系数
对于气瓶热膨胀设计，还涉及因温度升高导致内压载荷的变化，所以增加由气体膨胀产生的内胆及符合材料缠绕成膨胀，所以气瓶高温应变补偿层的设计中，也需要增加新的设计变量，需要再公式5中求得的初步结果基础上，通过有限元进行校核和修整。
缠绕层线型设计：
缠绕层设计方法已有在先申请的专利，同时在《纤维缠绕符合材料成型及工艺》一书中有记载，但是其中缠绕设计方法变量中不含树脂基体材料，主要是增强基体，也即是碳纤维的性能参数，比如抗拉强度，但是缠绕后的强度结果受树脂+增强基体结合形成的复合材料影响，树脂基体材料对碳纤维抗拉强度发挥率有影响，且设计上不好评估，需要通过试验件爆破试验验证，而且当前没有任何关于聚酰亚胺和碳纤维这种体系用于缠绕发挥率经验值。因此需要通过爆破试验，修正碳纤维增强聚酰亚胺这种体系在此缠绕方法下的纤维强度发挥率。纤维强度发挥率＝实际强度/纤维拉伸测试的平均强度，实际强度与爆破值有关。但是根据缠绕方法不同，比如缠绕角调整了，也会影响最终爆破值，即在这种碳纤维聚酰亚胺中纤维发挥率也会不一样。
其中，可以通过选用不同拉伸强度指标的碳纤维进行碳纤维聚酰亚胺缠绕层设计，到达控制碳纤维聚酰亚胺复合材料层厚度的目的，是整体机构方案分配满足外形尺寸要求。碳纤维聚酰亚胺复合材料气瓶结构示意图见图1。
第三步：利用有限元仿真计算，选用ABAQUS/Standard模块，采用结构壳单元，按照第二步设计的初始碳纤维聚酰亚胺复合材料气瓶结构建立模型，并用CAX4R单元进行网格划分。金属内衬与高温应变补偿层连接，高温应变补偿层与碳纤维聚酰亚胺复合材料层连接，采用表面—表面接触方式，设定小滑移模式，并设定金属内衬、高温应变补偿层、碳纤维聚酰亚胺复合材料层导热系数等相关热物理属性，用于模拟温度及应力传递。设定表面热交换条件并设定导热系数等物理属性，用于模拟温度及应力传递，然后对内胆内表面施加固定约束，通过对边界条件中的温度设定模拟气瓶外部400℃温度环境。
现有技术中，环氧树脂符合材料使用温度低，热膨胀不明显，有限元分析过程中可以直接将内胆与环氧树脂复合材料层连接，这种设计方案的设计分析结果和实际应变结果相差不大，因此形成的设计习惯都是直接连接，完全没有补偿层的概念，而本申请的技术方案中这一点不可忽略。
然后对模型的金属内衬表面施加35MPa内压载荷，设定边界条件用于给碳纤维聚酰亚胺复合材料气瓶施加固定约束，同时设定预定义场对模型外界温度进行控制，通过求解器计算得出模型在400℃温度条件下的应力与应变结果。
第四步：当第三步的模型应变结果不满足尺寸匹配水平或应力结果超过材料许用应力水平时，通过优化金属内衬直线段与圆弧过渡段圆角及壁厚，并重新匹配聚酰亚胺高温应变补充层壁厚的方法，再次进行底第三步，并得出最终设计方案。
第五步：开展初始设计方案试验件爆破和最终设计方案试验件爆破结果的对比。
第一次爆破试验可以得出碳纤维增强聚酰亚胺这种体系在缠绕方法下的纤维强度发挥率，后续的试验可以验证和对比设计结果。
本申请的设计方案解决金属内衬和复合材料层热膨胀应变相差较大的问题，能真实的反应复合层材料气瓶实际承压能力，通过优化设计环节不断提高材料气瓶实际承压能力。