复合材料缠绕气瓶可靠性验证技术.pdf

制造技术研究 2015 年 4 月第 2 期
复合材料缠绕气瓶可靠性验证技术
王祥龙 朱小兰 程 彬 刘志栋
兰州空间技术物理研究所,兰州 730000
摘要:根据航天器用复合材料气瓶高可靠性特点,对复合材料气瓶的可靠性进行了分析,
气瓶的失效模式主要为泄漏和爆破,影响因素分别为疲劳寿命和承压能力,其中疲劳寿命主
要受内衬影响,而承压能力主要由复合层性能决定。最后对气瓶的可靠性试验进行了描述,
举例说明了气瓶的可靠度试验验证方法。
关键词:复合材料高压气瓶;可靠性;疲劳寿命;空间环境
1 引言 的强度、应力和壁厚等均受到许多随机因素的影响。
复合材料缠 绕气瓶作为 高压气体介 质的贮存设 2 可靠性计算理论基础
备,在各类航天器上得到广泛的应用。航天用高压气
瓶由于不可维修性和危险性,旦出事故将会造成很 复合材料 气 瓶的可靠 性 分析通常 采 用应力- 强度
大影响,因此,气瓶必须具有高可靠性。复合材料缠干涉法,其应力和强度均服从正态分布,如图 1所示。
绕气瓶的可靠度主要采用应力- 强度 干涉法计算,由
于复合材料缠绕气瓶离散型较大,影响其可靠度的因
素主要有缠绕线性、缠绕张力、纤维的发挥系数等。
强度
目前,对复合材料压力容器结构可靠性设计理论的研应力
究较少。
国内外在复 合材料气瓶 设计时通常 采用传统的
安全系数法,该方法操作性好,但通常比较保守,
图 1 应力-强度干涉模型
并且不能定量地分析气瓶的性能。设计标准通常只给
出了安全系数的范围,没有考虑复合材料气瓶由于强
、和
应力和强度的均值与标准偏差分别为 X X
度、应力、材料参数和工艺控制等引起的误差,气瓶 1 2
作者简介:王祥龙1976-,硕士,机械设计与制造专业;研究方向:航天压力容
器设计与试验。
收稿日期:2015-01-09
制造技术研 制造技术研究 究 2 015 年 航天制造技术 4 月第 2 期
σ、σ,由图 1可见,尽管 X X,但是该两条寿命与塑性应变之间的变化关系。对于钛材料,该
曲线的重叠部分,仍存在XX的可能性,即存在气公式的具体应用形式为:
复合材料缠绕气瓶可靠性验证 2技术
瓶破坏的可能性。当XX时,气瓶发生破坏。
则结构的可靠度为:
王祥龙 朱小兰 程 彬 刘志栋
式中:N气瓶循环次数;ε 钛材料的极小
兰州空间技术物理研究所 1 ,兰州 730000
∫∫断裂应变;Δε 循环中钛材料的塑性应变变化量。
利用有限元 分析对气瓶 在工作压力 和零压力状
摘要:根据航天器用复合材料气瓶高可靠性特点,对复合材料气瓶的可靠性进行了分析,
式中:X 压力容器的应力;X 压力容器
态进行分 析 ,可得到 内 衬在这两 种 状态下的 塑 性应
气瓶的失效模式主要为泄漏和爆破,影响因素分别为疲劳寿命和承压能力,其中疲劳寿命主
强度;fX 应力的概率密度函数;fX 强度
变,内衬材料工业纯钛的极小断裂应变为 30,利用
要受内衬影响,而承压能力主要由复合层性能决定。最后对气瓶的可靠性试验进行了描述,
的概率密度函数。
式6可计算除内衬在最大工作压力下的循环寿命。
举例说明了气瓶的可靠度试验验证方法。
令强度X与 应力X 之差 为可靠性随 机变量Z ,既
3.2 气瓶强度可靠性
关键词:复合材料高压气瓶;可靠性;疲劳寿命;空间环境
ZX -X ,由于X和X均满足正态分布,根据正态分
复合材料气瓶强度主要由纤维层决定,根据网络
布函数特点,变量Z也服从正态分布,可得Z的均值 Z
理论,可建立纤维厚度与气瓶压力之间的对应关系。
和标准偏差σ为:
气瓶复合层可靠度 R可分别按式7和式8计算:
则 Z的概率密度函数为:
式中:Z 可靠性系数 ;μ 材料的强度平
均值,MPa;μ 容器的应力平均值,MPa;σ
强度的标准偏差, MPa;σ 应力的标准偏差, MPa。
令 t z? z σ ,β?z σ ,因 此, 气 瓶可靠
性概率为: β
Key words:composite pressure vessel;reliability;fatigue lif算出 e;Z sp值 ace 后, en查正态积分分布表可求得可靠度 viroment R。
式中:β可靠性指标;Φβ 标准正态分
1 引言 的强 4 气瓶可靠性试验验证度、应力和壁厚等均受到许多随机因素的影响 。
布函数。
复合材料缠 绕气瓶作为 高压气体介 质的贮存设 2 可靠性计算理论基础气瓶可靠性可通过可靠性试验验证, 主要包括疲
3 气瓶可靠性
备,在各类航天器上得到广泛的应用。航天用高压气劳试验、 力学环境试验、热环境试验和爆破试验。其
瓶由于不可维修性和危险性,旦出事故将会造成很中疲劳次数可通过压力循 复合材料 气 瓶的可靠环试验验证,通常情况下 性 分析通常 采 用应力- 强度,
根据航天压力容器特点,通常情况下,复合材料
大影响,因此,气瓶必须具有高可靠性。复合材料缠干涉法,航天系统中压力容器的循环疲劳寿命要求较低其应力和强度均服从正态分布,如图 1,所示比较。
气瓶的失效模式主要包括泄露和爆破,其对应的可靠
绕气瓶的可靠度主要采用应力- 强度 干涉法计算,由典型的要求是具有 4倍循环寿命安全系数,或最小 50
性为疲劳寿命可靠性和强度可靠性。
于复合材料缠绕气瓶离散型较大,影响其可靠度的因次工作压力循环。
3.1 气瓶疲劳寿命可靠性
素主要有缠绕线性、缠绕张力、纤维的发挥系数等。根据复合材料气瓶的失效模式,气瓶的爆裂失效
强度
气瓶疲劳寿 命可靠性主 要是指气瓶 在工作压力
目前,对复合材料压力容器结构可靠性设计理论的研是项主要的失效模式,应力爆裂失效主要与复合层强度
下的循环寿命的可靠性。气瓶在循环应力或循环应变
究较少。 有关,因此,在气瓶强度可靠性试验中设气瓶的爆破
作用下,由于某些点或某些区域产生了永久变形,导
国内外在复 合材料气瓶 设计时通常 采用传统的压力为可靠性特征量。
致在定的循环应力或循环应变作用下形成破损。在
安全系数法,该方法操作性好,但通常比较保守,气瓶的强度可靠性主要通过爆破试验验证,验证
图 1 应力-强度干涉模型
复合材料气瓶中,该项指标主要由气瓶内衬决定,对
并且不能定量地分析气瓶的性能。设计标准通常只给方法如下:
于薄壁内衬结构复合材料气瓶,由于内衬在工作压力
出了安全系数的范围,没有考虑复合材料气瓶由于强 1
、和
应力和强度的均值与标准偏差分别为 X X
下已发生塑性变形,属于低周疲劳。低周疲劳寿命与
度、应力、材料参数和工艺控制等引起的误差,气瓶 1 2
材料的极 小 断裂应变 和 材料在循 环 中的塑性 应 变变
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作者简介:王祥龙1976-,硕士,机械设计与制造专业;研究方向:航天压力容
化量相关。国外通常采用Coffin-Manson公式描述循环
器设计与试验。
收稿日期:2015-01-09
制造技术研 制造技术研 技术交流 究 究 2 2 0 01 15 5 年 年 航天制造技术 4 4 月第 月第 2 2 期 期
本固定。 σ、σ方案三与方案二粘接工艺样,,由图 1可见,尽管 X X,但是该