車載復合材料高壓儲氫氣瓶沖擊損傷數(shù)值模擬研究

董文利* 宋高峰 鄭楊艷

（江蘇省特種設備安全監(jiān)督檢驗研究院）

0 引言

高壓氣態(tài)儲氫瓶常以輕質碳纖維增強復合材料為主要承壓材料，該材料具有比強度大、比模量高、設計結構靈活以及耐腐蝕等優(yōu)點，已逐步應用在新能源汽車領域，其使用安全性也受到了廣泛重視[1]。

在服役過程中，氣瓶如突遇碰撞事故或緊急制動時，因外來物沖擊極易產(chǎn)生損傷，復合材料的層間強度較低，沖擊敏感性強，表面損傷可能很小，甚至難以觀察，但內部和沖擊內表面損傷往往較為嚴重。這種載荷一般集中在局部區(qū)域，若沖擊能量超過復合材料沖擊臨界值，將會出現(xiàn)基體開裂、纖維斷裂、層間分離甚至穿透等損傷，雖然一般不會導致氣瓶立即爆炸，但會使氣瓶的剛度和強度下降，影響其使用壽命，甚至喪失承載能力[2-4]。根據(jù)hashin 失效準則研究沖擊前后應力變化情況后可知，若纖維層未出現(xiàn)損傷，則氣瓶整體結構在操作壓力下仍舊安全[5]。對于低速沖擊，層間分層是氣瓶的主要損傷模式，分層損傷是復合材料氣瓶結構剩余強度大幅降低的主要原因[6]。相比空載情況，帶內壓的復合材料氣瓶更易產(chǎn)生分層或基體開裂，相同沖擊能量下的損傷程度也明顯增大[7-8]，沖擊點凹坑深度以及損傷面積均與沖擊能量呈正比[9]。落錘沖擊試驗結果表明，氣瓶中斷的抗沖擊性能明顯強于筒體和封頭連接處[10]，并且球形沖頭更易發(fā)生壁面穿透[11]。Liao 等[12]基于Puck失效準則和基于層內損傷演化規(guī)律，研究了沖擊載荷下層內漸進失效、分層和襯套變形引起的能量耗散機制；Perillo 等[13]同時考慮了層內損傷與分層損傷，并對筒體與封頭處開展了沖擊研究；張永明等[14]改變復合材料/金屬混雜結構的形式來提高層合板的沖擊損傷臨界值，從而提高抗沖擊承載能力。現(xiàn)有研究集中在空載或內壓載荷較低時的情況，而缺乏系統(tǒng)的研究沖擊能量和內壓較高情況下復合材料氣瓶的沖擊損傷行為。

針對碳纖維增強復合材料儲氫氣瓶的低速沖擊行為，采用有限元方法，建立含內壓載荷下的氣瓶沖擊損傷數(shù)值模型，系統(tǒng)地研究沖擊能量和氣瓶內壓載荷對沖擊峰值載荷、損傷面積、損傷尺度以及凹坑深度的影響，探討沖擊損傷臨界值以及分層擴展阻力的變化規(guī)律，對復合材料氣瓶的沖擊損傷容限設計提供可借鑒的理論與應用基礎。

1 有限元模型

研究對象為鋁合金內襯T700 碳纖維/環(huán)氧樹脂復合材料全纏繞氣瓶，氣瓶全長為1 500 mm，內徑為376 mm，鋁內襯壁厚為3 mm，筒體復合材料纏繞層總共10 層。封頭段僅為螺旋纏繞，筒體部分纏繞方式為環(huán)向與螺旋交替組合纏繞，順序為：鋁合金內襯/±90°/±14°/±90°/±14°/±90°，0°方向為氣瓶軸線方向，90°為氣瓶環(huán)向，其結構可見圖1，材料性能可見表1 和表2。沖頭為球形，直徑為15 mm，沖擊能量為10 ～ 45 J。鋁合金內襯與復合材料層均為三維實體單位S4R，網(wǎng)格尺寸為0.5 mm，沖頭為剛體，沖頭與沖擊區(qū)域間法向接觸摩擦系數(shù)為0.3。

圖1 氣瓶幾何模型（單位：mm）

表1 復合材料氣瓶參數(shù)

表2 鋁合金內襯材料參數(shù)

2 結果與討論

2.1 沖擊損傷

2.1.1 沖擊峰值載荷

圖2 所示為復合材料氣瓶沖擊峰值載荷與內壓的關系曲線。從圖2 可以發(fā)現(xiàn)，沖擊能量越高，峰值載荷越大。沖擊能量相同時，隨著內壓增大，氣瓶沖擊峰值載荷逐步降低，并且峰值載荷的變化可近似分為兩個階段，當內壓小于30 MPa 時，峰值載荷呈緩慢下降，一旦超過30 MPa，峰值載荷呈急速下降。隨著內壓增大，沖擊產(chǎn)生的層內損傷范圍和損傷面積逐步增大，而空載（內壓為0）的情況下纖維斷裂出現(xiàn)更早，即施加內壓后，鋁內襯層并不能作為支撐而延遲損傷對沖擊載荷的影響，氣瓶的沖擊峰值載荷依然取決于纖維纏繞層的損傷程度。

圖2 復合材料氣瓶沖擊峰值載荷與內壓的關系

2.1.2 損傷面積與尺寸

圖3 為損傷面積隨內壓的變化規(guī)律。從圖3 可以看出，在相同的沖擊能量下，內壓小于30 MPa 時，損傷面積隨內壓緩慢增大，當內壓超過30 MPa 后，損傷面積出現(xiàn)拐點并迅速增大，這點與峰值載荷隨內壓的變化規(guī)律類似。圖4 為不同內壓沖擊后的纖維纏繞層間損傷尺寸沿氣瓶環(huán)向和軸向的分布規(guī)律。在不同沖擊能量下，內壓30 MPa 以下的環(huán)向與軸向損傷寬度均緩慢增加，并且幅度基本保持一致，復合空載情況下的圓形分層損傷形貌；當內壓超過30 MPa 后，損傷寬度迅速增大。內壓較低時，環(huán)向與軸向損傷寬度基本保持一致，這與空載情況下的損傷形貌基本吻合。隨著內壓增大，特別是超過30 MPa 以后，損傷寬度顯著增加，并且環(huán)向寬度大于軸向寬度。

圖3 損傷面積與內壓的關系

圖4 不同內壓下沖擊后的纖維纏繞層間損傷尺寸

2.1.3 層內損傷

圖5 為內壓為30 MPa、沖擊能量為45 J 時纖維纏繞層環(huán)向沿厚度方向的損傷演化情況。從圖5 可以看出，臨近鋁內襯層的纖維層首先出現(xiàn)拉伸損傷，并逐步向整個纖維纏繞層貫穿，沖頭正下方區(qū)域的拉伸損傷范圍每層逐步縮小，到第8 層時拉伸損傷消失；壓縮損傷分布于拉伸損傷周圍，損傷范圍沿纖維層向外逐步擴大，且主要分布于沖擊表層區(qū)域，這說明在內壓作用下低速沖擊更容易產(chǎn)生纖維拉伸損傷。對比空載情況后可知，隨著內壓增大，鋁內襯層對纖維纏繞層的支撐約束作用逐漸減弱。

圖5 部分纖維層損傷演化（p = 30 MPa, E = 45 J）

2.1.4 凹坑深度

圖6 為不同內壓下沖擊能量與凹坑深度的關系。

從圖6 可以看出，隨著沖擊能量增大，凹坑深度均逐步增大，并且隨著沖擊能量增加，凹坑深度增大速度明顯提高，近似呈指數(shù)上升趨勢。相比空載情況，隨著內壓增大，凹坑深度顯著降低。從數(shù)值分析結果可知，當復合材料損傷模式僅為基體損傷時，凹坑深度較小，而一旦纖維產(chǎn)生損傷，沖擊點的凹坑深度將會迅速增大。

圖6 不同內壓下沖擊能量與凹坑深度的關系

2.2 沖擊損傷阻抗

2.2.1 沖擊損傷臨界值

沖擊損傷可以通過損傷面積、損傷尺寸、凹坑深度等參數(shù)來表征。雖然凹坑深度是復合材料沖擊損傷最基本的表征量，能反應損傷阻抗變化，但從數(shù)值分析的角度來說，準確獲得凹坑深度存在一定困難，特別是在內壓較高、沖擊能量較低的情況下。鑒于此，本文采用損傷面積來評價氣瓶的沖擊損傷阻抗。

圖7 所示為沖擊能量與損傷面積的關系，從中可以發(fā)現(xiàn)其存在拐點現(xiàn)象。當沖擊能量小于拐點值時，沖擊損傷對纖維層抵抗沖擊能力的影響較小，而超過拐點值時，纖維與基體已發(fā)生分離現(xiàn)象，基體難以繼續(xù)支撐纖維，纖維層失去整體抗沖擊能力，即沖擊損傷臨界值，反應了纖維纏繞層抵抗沖擊的最大能力。從圖上可知，隨著內壓增高，拐點出現(xiàn)在沖擊能量為25～35 J 范圍內。

圖7 沖擊能量與損傷面積的關系

2.2.2 分層損傷擴展阻力

分層損傷擴展阻力是復合材料抵抗分層損傷擴展能力的體現(xiàn)[14]，即單位面積內分層損傷所需要的沖擊能量。對于相同的沖擊能量，阻力越小則損傷面積越大，定義為：

從圖7 可以看出，分層擴展阻力近似分為兩個階段。以內壓為70 MPa 為例，R值對應為5.7 ×10-3J/mm2和1.9×10-3J/mm2，第一階段的R值明顯大于第二階段的R值。同時，隨著氣瓶內壓增大，第一階段和第二階段的R值均降低，且降低速度逐漸減小。

圖8 R值與內壓的關系

3 結論

本文針對車載復合材料高壓儲氫氣瓶的低速沖擊，建立了沖擊損傷數(shù)值模型，從氣瓶可能的承載狀態(tài)出發(fā)，研究了不同沖擊能量和氣瓶內壓載荷對沖擊損傷的影響。

（1）氣瓶所受沖擊峰值載荷以30 MPa 為拐點，當內壓小于30 MPa 時，峰值載荷呈緩慢下降，一旦超過30 MPa，峰值載荷急速下降，內壓載荷作用下，沖擊峰值載荷依然取決于纖維纏繞層的損傷程度；同時，損傷面積的變化規(guī)律與峰值載荷一致。

（2）當沖擊能量增大時，凹坑深度近似呈指數(shù)上升趨勢，內壓增大，凹坑深度顯著降低；在內壓作用下，低速沖擊更易產(chǎn)生纖維拉伸損傷，壓縮損傷主要分布于沖擊表層區(qū)域，僅為基體損傷時，凹坑深度較小，而一旦纖維損傷發(fā)生，沖擊點的凹坑深度將會迅速增大。

（3）通過損傷面積評價氣瓶的沖擊損傷阻抗，隨著內壓增高，沖擊損傷臨界值處于沖擊能量25～35 J之間；分層擴展阻力R分為兩個階段，第一階段的R值大于第二階段的R值，隨著氣瓶內壓增加，第一階段和第二階段的R值均降低，且降低速度逐漸減小。