鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶疲勞應(yīng)變監(jiān)測方法

徐燕生， 劉祚時， 王漢奎， 俞 躍

(1.江西理工大學(xué) 機電工程學(xué)院，江西 贛州 341000; 2.中國特種設(shè)備檢測研究院，北京 100029)

0 引言

復(fù)合材料壓力容器由于具有輕量化、剛性好、強度高、抗疲勞性能好和使用壽命長等優(yōu)點，在航空航天、交通、石油化工和醫(yī)療等行業(yè)有著十分廣泛的應(yīng)用[1]，同時,其存儲介質(zhì)大多易燃易爆。近年來，壓力容器爆炸事故時有發(fā)生，復(fù)合材料壓力容器的安全性問題亟待解決。

針對壓力容器的安全問題，學(xué)者們展開了大量的研究[2-4]，嘗試了多種檢測方法,如超聲檢測技術(shù)[5]、X射線數(shù)字成像檢測技術(shù)[6]、聲發(fā)射技術(shù)[7]和紅外熱成像技術(shù)[8]等。隨著傳感、材料和信息處理等技術(shù)的飛速發(fā)展，在復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)監(jiān)測方面，國內(nèi)外學(xué)者也采取多種方法進行了深入研究。文獻[9]將多根光纖埋入復(fù)合材料層板內(nèi)，橫縱交錯形成正交網(wǎng)絡(luò)，用于監(jiān)測測試層板沖擊損傷和擴展過程。文獻[10]用聲發(fā)射技術(shù)分別在靜態(tài)和疲勞載荷下對碳纖維增強塑性復(fù)合材料層合板進行監(jiān)測，試驗發(fā)現(xiàn)聲發(fā)射能量可在疲勞壽命預(yù)測方面提供有效的損傷參數(shù)和失效準則，反映出材料當前的損傷狀態(tài)，并能對載荷變化做出響應(yīng)。文獻[11]在靜態(tài)和疲勞試驗情況下，采用紅外熱成像技術(shù)對玻璃纖維復(fù)合材料表面溫度進行監(jiān)測，結(jié)果表明，熱成像技術(shù)可以監(jiān)測損傷的演變并預(yù)估疲勞壽命。文獻[12]用應(yīng)變片和壓電陶瓷傳感器對復(fù)合材料風(fēng)輪葉片進行疲勞監(jiān)測，通過對采集數(shù)據(jù)的分析，將應(yīng)變監(jiān)測用于復(fù)合材料風(fēng)機葉片疲勞損傷預(yù)警。文獻[13]采用埋入式應(yīng)變片對纖維纏繞壓力容器進行健康監(jiān)測，在復(fù)合材料壓力容器制備過程中，將應(yīng)變片埋在纖維層和內(nèi)膽之間。通過進行疲勞加爆破試驗，證明采用埋入式應(yīng)變傳感器監(jiān)測纖維纏繞壓力容器的健康狀況具有可行性。

復(fù)合材料氣瓶主要分為泄漏和爆破兩種失效模式[14-15]，在氣瓶疲勞過程中，復(fù)合材料層始終處于彈性變形，而金屬內(nèi)襯往往會產(chǎn)生塑性變形，由于殘余應(yīng)變的不斷積累，很容易引起內(nèi)襯產(chǎn)生局部屈曲，最終導(dǎo)致氣瓶的疲勞壽命降低[16]。

在復(fù)合材料氣瓶實際疲勞過程中，通常也是表現(xiàn)為未爆先漏，在疲勞后期，復(fù)合材料氣瓶表面雖然未見明顯開裂，但隨沖壓泄壓的進行，氣瓶表面有介質(zhì)流出，出現(xiàn)泄漏。結(jié)合目前的研究，分析可能是由于在疲勞過程中，金屬內(nèi)膽首先疲勞失效，之后介質(zhì)流出內(nèi)膽進入纖維層。而對于復(fù)合材料層，其始終處于彈性變形，但疲勞后期內(nèi)膽膨脹使得表面基體不斷開裂，最終介質(zhì)流出氣瓶，復(fù)合材料氣瓶失效。

為探究復(fù)合材料氣瓶的疲勞過程，結(jié)合現(xiàn)有的監(jiān)測方法驗證這一分析，本文提出了一種基于應(yīng)變片的鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶疲勞監(jiān)測方法。針對鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶，采用應(yīng)變片對其進行疲勞監(jiān)測，分離溫度效應(yīng)后處理試驗數(shù)據(jù)，再結(jié)合其他檢測方法輔助驗證，證明該方法對復(fù)合材料氣瓶的疲勞監(jiān)測具有一定可行性。

1 溫度效應(yīng)理論

在采用應(yīng)變電測法測量應(yīng)變時，由于應(yīng)變片的阻值會隨著溫度的變化而發(fā)生改變[17]，溫度的影響不容忽視。當溫度變化量為△T時，應(yīng)變片對應(yīng)的應(yīng)變輸出即熱輸出公式為[18]：

(1)

其中：αT為應(yīng)變片敏感柵的電阻溫度系數(shù)，10-6/℃；K為應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)，V/g；βs為與應(yīng)變片相連試件的線性膨脹系數(shù)，1/℃；βg為應(yīng)變片敏感柵線性膨脹系數(shù)，1/℃。為消除熱輸出εT，由式(1)提出式(2)，有：

(2)

當調(diào)節(jié)式(2)中的應(yīng)變片敏感柵電阻溫度系數(shù)，使其滿足式(2)，將熱輸出消除。但由于應(yīng)變片的工藝、試件的線性膨脹系數(shù)不匹配或者不為常數(shù)，往往實際熱輸出不能完全消除，則試件受力作用下應(yīng)變片采集到的實際應(yīng)變?yōu)椋?/p>

除了藥物治療之外，患者應(yīng)改變生活方式，注意避免熬夜、飲酒，并且保證充足睡眠，盡量避免閃光刺激如閃關(guān)燈、電子游戲等，如可帶太陽鏡進行防護。

(3)

其中：ε為應(yīng)變片采集應(yīng)變；εβ為試件的機械應(yīng)變，即應(yīng)變與溫度成一次線性關(guān)系。應(yīng)變片的阻值R與ε的關(guān)系為:

；

(4)

Rc-R=△R

；

(5)

Tc-T=△T

。

(6)

聯(lián)立上述各式，整理可得:

Rc=[RαT+(βs-βg)KR]Tc+KRεβ+R-[RαT+(βs-βg)KR]T，

(7)

其中：Rc為實際阻值；R為初始阻值；Tc為實際溫度；T為初始溫度。令:

RαT+(βs-βg)KR=a

；

(8)

KRεβ+R-[RαT+(βs-βg)KR]T=b

，

(9)

Rc=aTc+b

。

(10)

通過計算分離溫度效應(yīng)可得到b值，即試件真實應(yīng)變所對應(yīng)的應(yīng)變片阻值。由式(9)可知，試件的機械應(yīng)變εβ和b成線性關(guān)系，其變化趨勢一致，故可用b值來判斷實際的應(yīng)變變化情況，由此考慮使用數(shù)學(xué)計算的方式進行溫度效應(yīng)的分離。

2 試驗設(shè)計

2.1 試驗思路

本文以Ⅲ型氣瓶來展開研究，選取合適應(yīng)變片粘貼于復(fù)合材料氣瓶表面，對其進行疲勞監(jiān)測。同樣，在疲勞試驗過程中，由于不斷打壓以及外界環(huán)境的影響，瓶體溫度會發(fā)生一系列變化，溫度因素對監(jiān)測結(jié)果的影響不容忽視。本文主要采用回歸分析來剔除溫度效應(yīng)，對溫度效應(yīng)進行分離，可以使結(jié)果更為準確。

試驗中的Ⅲ型氣瓶，選用的是北京天海工業(yè)有限公司生產(chǎn)的20 MPa、1.6 L鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞復(fù)合氣瓶，其具體參數(shù)見表1，使用PT100鉑熱電阻對瓶體進行溫度信號的采集。

表1 試驗用復(fù)合材料氣瓶參數(shù)

2.2 試驗平臺

圖1 現(xiàn)場實際布置情況

試驗采用海德利森氣瓶疲勞試驗機，通過多通道對氣瓶進行應(yīng)變數(shù)據(jù)的采集，用 PT100鉑熱電阻采集溫度變化。由于復(fù)合材料氣瓶應(yīng)力集中于瓶體中部[19]，故沿氣瓶瓶身中部環(huán)繞布置應(yīng)變片，室溫固化24 h，將PT100鉑熱電阻粘貼于對應(yīng)位置，具體布置如圖1所示。

疲勞試驗參照GB 28053—2011《呼吸器用復(fù)合氣瓶》[20],疲勞的最大和最小壓力分別設(shè)置為20 MPa 和 0 MPa，試驗具體參數(shù)見表2。疲勞循環(huán)至氣瓶失效，實際打壓62 135次循環(huán)。

表2 疲勞試驗參數(shù)表

3 數(shù)據(jù)處理和分析

3.1 溫度效應(yīng)分離

因本次試驗時間較長，同時由于機器和人員需要休息調(diào)整，故分多次間斷進行，共進行12段，第12段數(shù)據(jù)采集時氣瓶發(fā)生泄漏。對采集數(shù)據(jù)預(yù)處理后，各通道結(jié)果如圖2所示。

圖2 各通道全程采集結(jié)果 圖3 1通道第10段采集數(shù)據(jù)

為排除由于環(huán)境以及不斷疲勞導(dǎo)致瓶體溫度變化的影響，對數(shù)據(jù)進行溫度效應(yīng)分離。以1通道第10段采集數(shù)據(jù)為例，結(jié)果見圖3。由圖3可知：應(yīng)變片阻值和溫度近似成一次線性關(guān)系，隨著溫度上升，應(yīng)變片阻值也呈現(xiàn)上升狀態(tài)。

由式(10)有：Rc=aTc+b,其中,Rc為實際阻值，Ω；Tc為實際溫度，℃;a、b為回歸參數(shù)。對數(shù)據(jù)使用線性回歸擬合，擬合公式參數(shù)見表3。

表3 回歸分析參數(shù)表

對線性回歸模型，往往利用判定系數(shù)R2來確定線性回歸的擬合程度。R2越接近1，則該回歸擬合程度越高。以第8段采集為例，判定系數(shù)R2=0.987 8，表明其線性關(guān)系顯著。

圖4 去除溫度效應(yīng)1通道低壓數(shù)據(jù)曲線

用前幾次擬合參數(shù)來估測最后一段(第12段)的回歸參數(shù)。由于采集第1段數(shù)據(jù)時，為使疲勞試驗機穩(wěn)定而有過多次調(diào)整，采集結(jié)果不太準確，故排除此次結(jié)果，以2～11段數(shù)據(jù)來估測，其均值b1= 0.001 41。為方便對結(jié)果研究，取其中谷值即氣瓶卸壓完成后穩(wěn)壓狀態(tài)時的應(yīng)變片阻值進行處理，去除溫度因素后結(jié)果如圖4所示，2～11段應(yīng)變片采集數(shù)據(jù)在120.31 Ω至120.32 Ω上下波動，再以均值b來處理1通道整體數(shù)據(jù)進行溫度效應(yīng)的分離，如圖5所示。同理，得到4個通道整體結(jié)果，如圖6所示。

圖5 去除溫度效應(yīng)1通道全程數(shù)據(jù)曲線

圖6 各通道去除溫度效應(yīng)后全程數(shù)據(jù)曲線

整個疲勞試驗過程中氣瓶瓶身無肉眼可見的明顯變形，氣瓶最終以泄漏的形式失效，并未發(fā)生爆裂。由圖2和圖6的對比可較好地看出： 溫度對試驗結(jié)果有一定影響，隨溫度逐漸上升，采集數(shù)據(jù)也呈現(xiàn)上升狀態(tài)。去除溫度效應(yīng)后，根據(jù)圖6可得: 隨著氣瓶的升壓降壓，數(shù)據(jù)基本在一定范圍內(nèi)上下波動，較為平穩(wěn)，符合氣瓶正常工作的情況，即分離溫度效應(yīng)后的數(shù)據(jù)真實有效。而隨著疲勞試驗的進行，在疲勞試驗后期，數(shù)據(jù)曲線有一個較為明顯的突變過程，對此突變拐點的對應(yīng)周期約為58 800次，此時氣瓶尚未發(fā)生泄漏，即能提前約1 000多周期做出預(yù)警，由試驗結(jié)果可以初步設(shè)定預(yù)警值為在原有應(yīng)變阻值基礎(chǔ)上增加0.004%。

3.2 進一步驗證

為進一步驗證氣瓶失效情況，采用工業(yè)計算機體層成像(computed tomography, CT)對疲勞后的氣瓶進行檢測，具體如圖7所示。由圖7可知： 纖維層出現(xiàn)分層、空隙缺陷等缺陷情況，外表樹脂基體出現(xiàn)開裂，未見到明顯的纖維層斷裂。結(jié)合上述分析，可判斷數(shù)據(jù)突變是由內(nèi)膽疲勞失效導(dǎo)致的。

(a)空隙缺陷圖 (b) 分層圖 (c) 損傷圖

4 結(jié)束語

本文以鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞復(fù)合氣瓶為研究對象，分析其整個疲勞過程的變化情況，用應(yīng)變片對其進行疲勞過程的應(yīng)變監(jiān)測。通過溫度效應(yīng)的分離，數(shù)據(jù)結(jié)果能很好地反映出氣瓶膨脹收縮狀態(tài)，對氣瓶疲勞失效有著一定的預(yù)警作用，說明應(yīng)變片在復(fù)合材料氣瓶疲勞監(jiān)測方面具有應(yīng)用潛力，同樣也可以為其他復(fù)合材料壓力容器的狀態(tài)監(jiān)測提供參考。下一步將圍繞復(fù)合材料氣瓶的應(yīng)力分布情況做進一步研究，確定本研究方法的準確性，也將對應(yīng)變片的使用壽命等情況作相應(yīng)考慮。