纖維纏繞工藝在復(fù)合材料壓力容器上的研究進展

黃澤升 竺鋁濤 沈偉 陳立峰

摘要：與金屬壓力容器相比，采用纖維纏繞工藝制備的復(fù)合材料壓力容器具有很好的減重效果，改變了氫氣、天然氣等一次性能源儲存和運輸原則。首先介紹了網(wǎng)格理論提供了纖維纏繞壓力容器殼體設(shè)計解決方案；其次指出了非測地線纏繞工藝的研究引領(lǐng)了對纖維纏繞線型設(shè)計的發(fā)展；然后對不同纏繞工藝進行對比分析綜述出復(fù)合材料壓力容器在纏繞層成型工藝、纏繞層質(zhì)量以及纏繞層檢測標(biāo)準(zhǔn)3個方面的研究進展；最后總結(jié)了目前纖維纏繞工藝在復(fù)合材料壓力容器上的發(fā)展趨勢并進行展望。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)格理論；非測地線纏繞；壓力容器；濕法纏繞；失效分析

中圖分類號：TB33

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1009-265X（2023）02-0230-14

2020年碳中和目標(biāo)的提出，使全球能源低碳化轉(zhuǎn)型力度明顯加大，氫氣、天然氣等一次性能源發(fā)展將加快。Atilhan等［1］認(rèn)為綠色氫氣是航運業(yè)一種很有前景的能源替代品，其中對氫氣儲存和安全性的評估進行了研究，認(rèn)為采用氫氣作為能源替代品的主要挑戰(zhàn)是對氫氣存儲所需額外空間的要求。氫氣一般采用高壓儲運，其主要儲運設(shè)備有壓力容器［2］，并且中國已將氫能作為未來產(chǎn)業(yè)，那么其儲運設(shè)備復(fù)合材料壓力容器也將會得到迅速發(fā)展。另外，通過檢索相關(guān)文獻和國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)分析發(fā)現(xiàn)，對復(fù)合材料壓力容器設(shè)計制備的研究，特別是有關(guān)纖維纏繞工藝的研究，是當(dāng)前高壓儲運研究的一個熱點，其關(guān)注的程度和研究的深度都與日俱增［3］。

中國于2022年發(fā)布的《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021—2035年）》，提出了氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展各階段目標(biāo)：到2050年，基本掌握核心技術(shù)和制造工藝。在此背景下，國內(nèi)研究學(xué)者意識到，復(fù)合材料壓力容器設(shè)計制備的研究是中國壓力容器研究團隊40年來研究步伐相對落后的領(lǐng)域，也是中國復(fù)合材料壓力容器研究的關(guān)鍵，更是中國氫能產(chǎn)業(yè)鏈完善的必由之路。同時，對復(fù)合材料壓力容器結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化和纖維纏繞工藝等研究進行基礎(chǔ)梳理和總結(jié)，也成為國內(nèi)外學(xué)者共同關(guān)注的課題。恰如惠虎等［4］總結(jié)認(rèn)為纖維纏繞壓力容器的設(shè)計研發(fā)仍然需要改進，對設(shè)計方法進行合理優(yōu)化，使纖維強度利用率得到提高。Azeem等［5］也對纖維纏繞技術(shù)（Filament winding technology， FW）在復(fù)合材料壓力容器上的應(yīng)用和面臨的挑戰(zhàn)等進行了很具體的評析：在設(shè)計和制造纖維纏繞結(jié)構(gòu)時，了解各種工藝參數(shù)、它們的綜合效應(yīng)以及相關(guān)的挑戰(zhàn)是非常重要的。綜上，本文聚焦“復(fù)合材料壓力容器纖維纏繞工藝”，試圖梳理和總結(jié)其纏繞層優(yōu)化設(shè)計、纏繞工藝研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢3個方面，為后續(xù)纖維纏繞工藝改進優(yōu)化研究提供一定參考。

1纖維纏繞層優(yōu)化設(shè)計

纖維纏繞工藝研究和復(fù)合材料壓力容器研究有著密不可分的關(guān)系。20世紀(jì)40年代，美國軍方就已經(jīng)開始使用高性能碳纖維制造壓力容器，但初期的研究得到的諸多有用結(jié)論由于受制于纖維和樹脂材料、內(nèi)襯材質(zhì)和外形等設(shè)計和工藝成本等影響而產(chǎn)生了實際民用商用效果不佳和難以推廣的問題，這促使越來越多的研究者們開始關(guān)注纖維纏繞層優(yōu)化設(shè)計，特別是纏繞角度與纏繞層厚度對復(fù)合材料壓力容器性能的作用關(guān)系。由此，關(guān)于纖維纏繞工藝在壓力容器上的網(wǎng)格理論應(yīng)用研究和非測地線纏繞線型設(shè)計研究得以提出。

1.1網(wǎng)格理論應(yīng)用

2021年，Hu等［6］在研究70 MPa Ⅳ型儲氫壓力容器中，通過網(wǎng)格理論來設(shè)計計算不同的纖維纏繞鋪層厚度方案以達到測試不同極限爆破壓強的目的。區(qū)別于復(fù)合材料殼體采用各向異性層合板理論，在國內(nèi)，陳汝訓(xùn)［7］于2003年歸納研究得出纖維纏繞殼體網(wǎng)格理論，使得纖維纏繞壓力容器設(shè)計更加簡單，常用于計算環(huán)形纏繞和螺旋纏繞層厚度。網(wǎng)格理論的關(guān)鍵在于假設(shè)忽略樹脂的作用，而纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)承擔(dān)全部殼體內(nèi)壓。另外，在封頭得到加強情況下，由圓筒縱向纏繞的封頭壁厚，一般滿足不了內(nèi)壓強度的要求，需要適當(dāng)增加縱向纖維纏繞厚度。引入了應(yīng)力平衡系數(shù)（強度增強系數(shù)）K，環(huán)向纏繞層也因應(yīng)力平衡系數(shù)的引用而變薄。又根據(jù)一些產(chǎn)品需求，纏繞角的增加，對封頭強度的提升和殼體質(zhì)量減少都有用。所以纏繞角越大，封頭越厚，且圓筒總質(zhì)量也隨纏繞角增大而減小［8］。在滿足極孔切根纏繞和纖維不打滑前提下，對纏繞機纏繞角進行設(shè)置改進或者增加極孔半徑，改變纏繞角，能得到強度高和質(zhì)量輕的產(chǎn)品。

基于纖維纏繞復(fù)合材料壓力容器基礎(chǔ)設(shè)計理論的完善，Madhavi等［9］采用網(wǎng)格理論方法計算了殼體的環(huán)向和螺旋纏繞層厚度，研究分析全封頭纖維纏繞壓力容器的爆破壓強，結(jié)果可用于理解帶全封頭纖維纏繞壓力容器的結(jié)構(gòu)特性。在對網(wǎng)格理論的進一步運用上，Hossain等［10］結(jié)合了網(wǎng)格理論和Tsai-Wu失效理論，以研究施壓過程中會導(dǎo)致壓力容器等纏繞設(shè)備產(chǎn)生破壞失效的臨界纖維纏繞角度。Dinh等［11］以網(wǎng)格理論為基礎(chǔ)，建立了非測地線纏繞模式下的封頭纖維不滑移數(shù)學(xué)模型，為建立平面纏繞封頭的模型奠定了前提。Zhang等［12］在網(wǎng)格理論的基礎(chǔ)上，為了能夠精確預(yù)測殼體厚度，采用三次條樣函數(shù)法來計算纏繞厚度。同時，在追求壓力容器輕量化的前提下。Park等［13］研究如何優(yōu)化壓力容器的厚度和形狀以及復(fù)合材料的纏繞角。其通過網(wǎng)格理論計算出復(fù)合材料的初始厚度后，通過有限元法計算出滿足結(jié)構(gòu)安全要求的復(fù)合材料圓筒和封頭部件的厚度，其中在不同纏繞角度下封頭厚度示意如圖1所示，改變了理論計算的厚度。并采用響應(yīng)面法對封頭部分進行了優(yōu)化設(shè)計，以達到輕量化和提高內(nèi)容積的目的。

由纏繞層總厚度、纖維拉斷強度和筒體半徑，可得均衡條件下的圓筒爆破壓強。然而，于斌等［14］認(rèn)為陳汝訓(xùn)所推導(dǎo)的爆破壓強計算公式，由于預(yù)先求出內(nèi)襯厚度，且假設(shè)內(nèi)襯和纖維以及壓強都是極限條件下，不能為內(nèi)襯壁厚的確定給予指導(dǎo)。于是其提出了網(wǎng)格理論程序化地優(yōu)化推導(dǎo)方法，自變量是纖維預(yù)緊應(yīng)力，通過對矩陣式方程組進行聯(lián)立進行求解，使得在不同內(nèi)襯壁厚下的雙層殼體在各內(nèi)壓階段的應(yīng)力值能精確求出，此種方法更方便了內(nèi)襯壁厚計算、纖維預(yù)緊應(yīng)力區(qū)間確定和復(fù)合材料結(jié)構(gòu)強度等方面的計算，使得金屬內(nèi)襯復(fù)合材料壓力容器在綜合優(yōu)化設(shè)計方面得到更大進步。

另外，由于纏繞過程中纖維的纏繞軌跡受到芯軸幾何形狀和工藝運動學(xué)的影響，最佳纖維纏繞軌跡的確定是纖維纏繞工藝設(shè)計的一個熱點和難點。Dalibor等［15］采用網(wǎng)格理論和經(jīng)典層合板理論共同計算，同時考慮了測地線和非測地線纏繞路徑，以尋求在非測地線纏繞下對壓力容器的力學(xué)性能影響。綜上所述，網(wǎng)格理論為纖維纏繞壓力容器殼體設(shè)計提供了解決方案。網(wǎng)格理論應(yīng)用研究內(nèi)容總結(jié)見表1。

1.2非測地線纏繞線形設(shè)計研究

網(wǎng)格理論是假設(shè)樹脂的影響忽略不計，但是為了發(fā)揮復(fù)合材料的各向異性的特性。學(xué)者也在研究對纖維和樹脂進行選擇并按照一定的線形進行設(shè)計，使得紗帶在內(nèi)襯上的纏繞范圍得到擴大。對纖維纏繞在芯模上的要求是穩(wěn)定不滑線，而非測地線纏繞可以在一定范圍內(nèi)阻止滑線產(chǎn)生。

非測地線纏繞方法被廣泛應(yīng)用于復(fù)合材料壓力容器的設(shè)計制造中。首先通過對殼體結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化分析，結(jié)合非測地線纏繞能均勻布滿的特點。Jiao等［17］就基于最大滑線系數(shù)，確定了纖維穩(wěn)定纏繞的范圍，并運用人工免疫算法進行優(yōu)化。Zu等［18］對不同切點的非測地線纏繞方法進行模擬，確定合適的切點，纏繞示意見圖2，再利用三次樣條函數(shù)精確地預(yù)測了球殼的厚度分布。

在非測地線纏繞的大多研究中，通常只對纏繞角度進行調(diào)整，而因改變螺旋纏繞角所引起的復(fù)合材料層厚度再分配的影響被忽略了，并且在壓力容器設(shè)計中，封頭處兩個極孔會出現(xiàn)不同的情況，使得非測地線纏繞在封頭與筒身過渡處容易產(chǎn)生纖維堆積。王榮等［19］通過薄膜理論、層合板理論、Tsai-Wu失效準(zhǔn)則研究了不等極孔橢球類容器的非測地線纏繞，計算出赤道處纖維層的最小厚度，認(rèn)為非測地線纏繞相對于等極孔的壓力容器，存在不穩(wěn)定性和精度難控制等問題。

對于上述問題，一些學(xué)者研究了一些優(yōu)化方法，一是采用可變滑線系數(shù)并借助層合板理論及序列（逐步）二次規(guī)劃法SQP算法，Zu等［20］發(fā)現(xiàn)比使用固定滑線系數(shù)進行非測地線纏繞的壓力容器性能更好。二是Zhou等［21］采用超橢圓函數(shù)來描述封頭上纏繞子午線，并通過粒子群優(yōu)化算法（Particle swarm optimization， PSO）來找到非測地線纏繞最佳設(shè)計方案。三是劉萌等［22］考慮球殼的變曲率特點，在非測地線纏繞過程中進行變厚度、變角度精細(xì)化有限元建模。四是郭凱特等［23］由已知的纖維纏繞線型和芯模轉(zhuǎn)角，根據(jù)公式計算出極孔處切點數(shù)和紗片寬度并進行仿真設(shè)計來解決不等極孔的壓力容器設(shè)計?；诜菧y地線纏繞優(yōu)化設(shè)計總結(jié)見表2?？梢?，各種優(yōu)化分析算法的提出引領(lǐng)了對纖維纏繞線型設(shè)計的發(fā)展。

2壓力容器纖維纏繞工藝研究現(xiàn)狀

2.1纏繞層成型工藝

陳明和等［24］從Ⅳ型車載儲氫氣瓶關(guān)鍵技術(shù)的角度對纖維纏繞工藝進行了對比、總結(jié)和歸納（見表3）。

纏繞工藝本質(zhì)上可以抽象為3個步驟［25］：提供具有規(guī)定張力的連續(xù)纖維粗紗或布帶，用規(guī)定量的低黏性樹脂浸漬纖維，最后在芯模或內(nèi)襯上按照一定線型規(guī)律進行纏繞。纏繞完成后通常在常溫或高溫下進行固化成型［26］（見圖3）。

纖維纏繞是制造高性能復(fù)合材料部件的最先進、自動化程度較高的方法之一［27］。Hopmann等［28］進一步認(rèn)為濕法纏繞工藝是制造壓力容器最常用的方法，且纖維纏繞在芯軸或內(nèi)襯上的路徑?jīng)Q定了纖維在壓力容器上的取向，樹脂所受載荷和纖維張力影響纖維的體積含量。相反地，Sofi等［29］認(rèn)為干法纏繞其特點是制造成本低，纖維含量高，纖維鋪設(shè)準(zhǔn)確且可重復(fù)，可控制樹脂流動，但與濕法纏繞相比，干法纏繞仍然處于發(fā)展的早期階段。陳明和等［24］對濕法纏繞工藝進行的總結(jié)，其實是諸多國內(nèi)外研究學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)的提煉和總結(jié)。

2.1.1濕法纏繞工藝參數(shù)

對于增強纖維的選擇，何太碧等［30］使用網(wǎng)格理論計算出纏繞層結(jié)構(gòu)參數(shù)，濕法纏繞生產(chǎn)玄武巖纖維復(fù)合材料氣瓶并對其進行強度分析，結(jié)果表明，纖維應(yīng)力比為2.34，滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求。對于樹脂體系的選擇，廖國峰等［31］對多官能度環(huán)氧樹脂和芳香胺類固化劑進行改性處理，研制出適用于濕法纏繞工藝下的高性能環(huán)氧樹脂體系，并采用非等溫固化模型和凝膠模型來研究改性處理后的環(huán)氧樹脂固化行為，使得時間－溫度－固化行為之間的關(guān)系得到明確。通過實驗測試，此環(huán)氧樹脂有著黏度低，適用期長且固化物力學(xué)性能優(yōu)異的特點。在成型工藝上，肖亞超等［32］認(rèn)為纏繞成型工藝參數(shù)主要有纖維浸膠［33］、纏繞張力、纏繞速度、線型選擇等，對每種工藝參數(shù)的合理設(shè)置才能得到符合要求的纖維纏繞制品。其中，關(guān)于纏繞張力方面的研究，惠鵬等［34］認(rèn)為張力的合理控制，不僅可以發(fā)揮纖維性能和增大纖維應(yīng)力，張力過小使纖維絲束含膠量過大影響產(chǎn)品性能；張力過大，使纖維過度磨損產(chǎn)生起毛飛絲現(xiàn)象。Jiao等［35］為了測試研制出的環(huán)氧樹脂體系與碳纖維的是否具有良好匹配性，采用不同的纏繞張力制備了NOL環(huán)，進行力學(xué)性能測試，研究結(jié)果顯示，纏繞張力為30 N的條件下，碳纖維與樹脂基體的界面結(jié)合最緊密、最牢固。NOL環(huán)的拉伸強度和層間剪切強度（ILSS）分別達到2712 MPa和75 MPa的較高值。

2.1.2濕法纏繞方式

根據(jù)芯模的形狀以及產(chǎn)品設(shè)計要求，一般采用單一纏繞方式或環(huán)向加螺旋纏繞混合的纏繞方式來進行制備。根據(jù)纖維在芯模上的排布特點，纏繞方式分為環(huán)向、螺旋和縱向纏繞3種，纏繞特點和線型如表4所示。

在對纏繞方式的選擇中，董寧［36］對只在筒身采用環(huán)向纏繞制備了車用鋼制內(nèi)膽纏繞氣瓶提出了設(shè)計原則，其認(rèn)為應(yīng)注意膠液含量、纏繞張力和線形的穩(wěn)定性等因素。其中，在對復(fù)合材料壓力容器減重研究中，纏繞角度對復(fù)合材料壓力容器的性能影響較大，Lin等［37］模擬了單纖維復(fù)合材料的厚度和角度，目的是設(shè)計一個最佳的復(fù)合儲氫容器，并提出了36.54°的最佳單一纏繞角度和1.6 mm的厚度。

很多學(xué)者后續(xù)研究都進一步表明，對纖維纏繞壓力容器設(shè)計優(yōu)化的完整理解，一般依賴于對纏繞工藝參數(shù)和纏繞方式的理解。即既需要對纏繞工藝中涉及的纏繞工藝選擇、原材料選擇以及參數(shù)選擇，也需要掌握理解纖維纏繞壓力容器的線型設(shè)計。例如，Hu等［6］在研究70 MPa Ⅳ型儲氫壓力容器中，設(shè)計了不同的螺旋纏繞角度方案，其認(rèn)為環(huán)向和螺旋層分離的鋪層模型可以提高爆破壓力，螺旋纏繞角從大到小的分布也可以提高爆破壓力?？梢?，表3所列出的3種纏繞工藝對比，其實是以一種整合的方式表征了濕法纏繞的特點。

2.2纏繞層質(zhì)量

2.2.1工藝適配性及結(jié)構(gòu)安全性

在濕法纏繞過程中，纖維帶在浸漬后即纏繞在芯模或內(nèi)襯上，由于浸漬效率［38-40］和卷繞速度［24］等因素導(dǎo)致樹脂中仍然存在大量浸漬劑而產(chǎn)生氣泡，在固化步驟中無外壓作用很容易產(chǎn)生孔隙。圖4顯示了纏繞部件中的典型孔隙［41］。纖維纏繞工藝中產(chǎn)生的孔隙會對制品的強度和疲勞壽命等性能造成影響，如裂紋［42］和分層［43］。此外纖維體積分?jǐn)?shù)也對復(fù)合材料壓力容器的性能有重大影響［44］。zaslan等［45］研究了不均勻圓孔纏繞纖維壓力容器的逐層厚度和制造工藝引起的纖維體積分?jǐn)?shù)變化對其力學(xué)性能的影響，纖維含量從50%增加到65%時，復(fù)合材料的強度提高了10%以上。所以在復(fù)合材料壓力容器制造過程中，孔隙率和纖維體積分?jǐn)?shù)的含量與工藝參數(shù)有很大的依賴性，深入了解孔隙率增長和纖維體積分?jǐn)?shù)變化的過程有重要的意義。

在復(fù)合材料壓力容器上進行開孔、切割等操作會在操作部位產(chǎn)生應(yīng)力集中，復(fù)合材料層層間剪切強度也會下降，影響纏繞結(jié)構(gòu)的強度和安全性，所以必須對進行過開孔等操作的復(fù)合材料壓力容器進行補強措施［46］。羅海榮［47］就提出了壓力容器常用的幾種開孔補強方法，如直接增強殼體厚度的補強方法和對開孔等部位進行補強圈或者加強環(huán)補強的局部補強方法，但是補強后的制品性能較為開孔的制品性能還是下降了。所以對于復(fù)合材料壓力容器設(shè)計，應(yīng)該在保證滿足使用場景和性能要求的情況下，減少對制品完全固化完成后的開孔等操作。

2.2.2使用場景要求

對復(fù)合材料壓力容器，一般內(nèi)襯層只需對加壓氣體有良好的防滲漏效果即可。而外層的纖維纏繞層，需要承受氣瓶的內(nèi)壓和內(nèi)襯傳遞的載荷，所以在設(shè)計氣瓶纏繞結(jié)構(gòu)時，應(yīng)采用多纏繞角纏繞，防止由于纖維滑移等因素造成的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。

一方面，劉培啟等［48］采用擴孔的方法使纖維厚度在瓶身上分布更均勻，研究證明，擴孔工藝的使用，封頭上纖維厚度極值較未處理前降低了31.53%，同時筒身和封頭過渡區(qū)域更加平滑，最后壓力容器的整體極限載荷增加了2.68%。另一方面，為了充分發(fā)揮纖維的高強度來提高氣瓶的承載能力，秦小強等［49］研究了在不同自緊壓力的情況下，采用小角度螺旋纏繞、大角度螺旋纏繞加環(huán)向纏繞3種混合纏繞的方式（見圖5）制備的氣瓶的疲勞性能，研究結(jié)果表明，采用自緊處理后，雖不會使內(nèi)膽的交變應(yīng)力幅得到較大變化，但是其平均應(yīng)力下降了，提高了壓力容器的抗載能力和抗疲勞性能。此外，一般復(fù)合材料壓力容器在運輸過程中也需要進行適當(dāng)?shù)谋Ｗo，Hu等［6］在制備復(fù)合材料層時設(shè)計了兩層，里面一層是碳纖維增強層，外面一層是玻璃纖維保護層。

2.2.3復(fù)合材料纏繞層失效分析

纖維纏繞結(jié)構(gòu)的損傷失效有纖維斷裂、樹脂基體開裂和分層等情況。預(yù)測復(fù)合材料失效的經(jīng)典準(zhǔn)則有最大應(yīng)力準(zhǔn)則、最大應(yīng)變準(zhǔn)則、Tsai-Hill準(zhǔn)則、Hoffman準(zhǔn)則和Puck準(zhǔn)則等。Ahmadi等［50］就基于Puck失效準(zhǔn)則對Ⅳ型復(fù)合材料壓力容器進行了漸進失效分析，數(shù)值計算結(jié)果與文獻中已有的實驗結(jié)果進行對比發(fā)現(xiàn)有較好的相關(guān)性。Liu等［51］基于Tsai-Wu失效準(zhǔn)則和強度理論，提出了一種新的確定破壞壓力的迭代算法。用有限元分析等方法對纏繞和固化過程模型進行了驗證。仿真結(jié)果表明，利用所建立的工藝分析和優(yōu)化模型，可以找到纖維纏繞復(fù)合材料圓柱內(nèi)壓力容器的最佳纏繞角度和張力，從而提高容器的承載能力。圖6為復(fù)合材料壓力容器失效分析流程圖。

2.3纏繞層檢測標(biāo)準(zhǔn)

不同的纖維纏繞壓力容器因其原材料、纏繞工藝、結(jié)構(gòu)和應(yīng)用場景等不同，檢測及測試標(biāo)準(zhǔn)也不同。例如，TC/T 587—1995《纖維纏繞增強塑料儲罐》就對玻璃纖維纏繞增強儲罐的分類、原材料和采用的制備工藝技術(shù)要求等進行了規(guī)定［4］。在車載儲氫氣瓶領(lǐng)域，關(guān)于新型高壓儲氫的通用國際指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)有諸如國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO/DIS 15869《車用氫氣及氫氣混合氣儲存氣瓶》、美國SAE J2579《氫能汽車燃料系統(tǒng)》、歐盟ECE R134《氫能和燃料電池汽車》、日本JA RI S 001《氫能汽車用高壓儲氫氣瓶技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》［52］。通過對國內(nèi)和國外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的比對，李前［3］認(rèn)為應(yīng)加快車用壓縮氫氣瓶國家標(biāo)準(zhǔn)的編制工作，能使中國復(fù)合材料壓力容器的綜合整體型式的實驗?zāi)芰Φ玫教岣?。對現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的進一步細(xì)化和完善，并對復(fù)合材料壓力容器及其配套設(shè)備的監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)進行制定將是我國纖維纏繞復(fù)合材料壓力容器標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展趨勢。

3壓力容器纖維纏繞工藝發(fā)展趨勢

3.1改進制造工藝

在纖維纏繞工藝的經(jīng)典研究中，濕法纏繞工

藝一直是壓力容器工程項目主要選擇的工藝。但是，隨著研究深入與應(yīng)用場景的要求，更多改良優(yōu)化的纖維纏繞制造工藝被逐漸引入復(fù)合材料壓力容器研究視域中，拓寬了研究的視野。例如，對于干法纏繞需增加預(yù)浸裝置的情況，陳長勝等［53］對干法纏繞工序中的熱熔法預(yù)浸紗制備工藝進行改進，使預(yù)浸紗生產(chǎn)效率增加，制備干法纏繞復(fù)合材料氣瓶，纖維強度發(fā)揮率為0.91，滿足工程要求。基于傳統(tǒng)纖維纏繞工藝與其他機械結(jié)構(gòu)或復(fù)合材料成型技術(shù)的結(jié)合，也是近年來學(xué)者們廣泛深入的研究主題?；甍i等［34］在傳統(tǒng)纏繞機上裝備了磁粉制動器，并配套了先進的纖維紗帶傳動系統(tǒng)構(gòu)成了大張力纏繞機，大張力纏繞工藝顧名思義是指在纏繞過程中，當(dāng)前纏繞層會影響已纏繞的內(nèi)層的應(yīng)力，可用來對復(fù)合材料高速飛輪轉(zhuǎn)子的研究。Xu等［40］提出了一種新型的張力控制方法，其對3個不同驅(qū)動輥的輸出（退繞輥的扭矩、磁粉制動輥的轉(zhuǎn)矩和主速輥的轉(zhuǎn)速）進行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)對卷繞過程中纖維張力和輸送速度的調(diào)節(jié)。結(jié)果表明，該方法在穩(wěn)態(tài)和加速階段具有更快的設(shè)定時間和更低的穩(wěn)態(tài)誤差。系統(tǒng)可以在不同的參考張力和運輸速度下保持穩(wěn)定，其纖維纏繞控制方法如圖7所示。

3.2仿真與制造一體化

隨著計算機與人工智能科學(xué)的崛起，仿真模擬分析技術(shù)作為一種研究復(fù)合材料壓力容器的新方法開始進入纖維纏繞壓力容器研究領(lǐng)域，并對纖維纏

繞線形設(shè)計的研究產(chǎn)生影響。因此，復(fù)合材料壓力容器仿真模擬的核心在于纖維纏繞仿真輔助設(shè)計和制造一體化。近年來，越來越多的研究者開始運用仿真模擬有限元技術(shù)進行研究，研究成果也日漸增

多。因此，一些趨勢已非常明顯，如采用機器人進行纏繞生產(chǎn)，這是一種創(chuàng)新的技術(shù)，如圖8所示，可以獲得高質(zhì)量的零部件［54］，包括配備有用于鋪設(shè)纖維帶的卷繞系統(tǒng)的機器手臂，如圖8（a）所示。準(zhǔn)確規(guī)劃鋪層軌跡，以獲得正確的鋪層順序和恒定的纏繞張力。然后，將模具安裝在機械手臂轉(zhuǎn)臺上，并將碳纖維預(yù)浸紗帶纏繞在芯模上，如圖8（b）所示，機械手臂特點是其自由度，當(dāng)使用不同的纏繞模式和附加自由度時，可以制造非軸對稱結(jié)構(gòu)，如三通管和彎頭。更復(fù)雜產(chǎn)品的需要使用計算機數(shù)控（CNC）機器人，機械臂的自由度直接影響產(chǎn)品的工藝復(fù)雜性。

此外，模擬研究因其對真實纏繞生產(chǎn)情景的關(guān)注，也有助于開發(fā)具體纖維纏繞領(lǐng)域中的各種線形設(shè)計，并且，在此過程中，來自非壓力容器領(lǐng)域的專家學(xué)者們會參與到學(xué)科交叉的研究中，以促進纖維纏繞技術(shù)與復(fù)合材料壓力容器的研究發(fā)展。

3.3高性能、低成本

纖維纏繞的研究起源于國外，國外的纖維纏繞原材料一直是纖維纏繞壓力容器的使用研究對象。這會帶來一種普遍的質(zhì)疑，即纖維纏繞的諸多結(jié)論是否能用在國產(chǎn)原材料上？孟祥武等［55］對國產(chǎn)T700S碳纖維進行表征分析并優(yōu)選樹脂體系制備碳纖維纏繞壓力容器，其最高特性指數(shù)為37.5 km，給國產(chǎn)同級別碳纖維應(yīng)用于復(fù)合材料壓力容器提供了參考。當(dāng)然，也有個別研究揭示出國內(nèi)外技術(shù)水平不同下碳纖維質(zhì)量的差異。比如，申宏旋等［56］對國產(chǎn)碳纖維和日本東麗碳纖維的拉伸與耐磨性能進行了測試與分析。研究表明，國產(chǎn)碳纖維由于表面缺陷造成單絲強度不穩(wěn)定，并因上漿劑質(zhì)量等原因?qū)е吕w維集束性差，摩擦易產(chǎn)生毛羽。通過長期的縱向深入研究，于海泉等［57］選擇了與國外T700S碳纖維同等級別的國產(chǎn)碳纖維，并聯(lián)合國內(nèi)廠家對樹脂體系進行改良，改良后的環(huán)氧樹脂體系與所選碳纖維有著良好浸透性，并用來進行國產(chǎn)碳纖維纏繞氣瓶的研發(fā)，研究表明，經(jīng)爆破實驗和常溫壓力循環(huán)實驗證明使用國產(chǎn)碳纖維研發(fā)設(shè)計纏繞氣瓶是可行的。近年來，越來越多圍繞對纖維纏繞的高性能、低成本碳纖維和熱固、熱塑性樹脂體系及固化工藝的研究項目正大量涌現(xiàn)，如高性能T700聚丙烯腈原絲及碳纖維研發(fā)項目、微波固化工藝［58］、低成本中溫固化濕法纏繞用樹脂基體研究［59］、濕法纏繞環(huán)氧樹脂研究［31］、高性能纖維與環(huán)氧樹脂的匹配性研究［60］和纖維纏繞用熱塑性樹脂研究［61］等，極大地推動了復(fù)合材料壓力容器的纖維纏繞工藝原材料及制備工藝研究的深入和拓展。圖9為大尺寸復(fù)合材料回轉(zhuǎn)體構(gòu)件采用微波分層預(yù)固化試驗示意圖，使用微波固化工藝，試樣制備時間可以比傳統(tǒng)熱固化工藝減少將近一半［58］。

3.4整瓶優(yōu)化設(shè)計

隨著復(fù)合材料壓力容器的研究日趨深入，很多學(xué)者開始把關(guān)注重點從傳統(tǒng)的壓力容器拓展到更高壓、大重容比、更輕［62］、更長壽命的復(fù)合材料壓力容器中。一些學(xué)者意識到，對復(fù)合材料壓力容器纖維纏繞工藝應(yīng)當(dāng)拓展，即從一種整體結(jié)構(gòu)的視角進行理解，整體結(jié)構(gòu)意味著，要從傳統(tǒng)的僅關(guān)注復(fù)合材料纏繞層研究，拓展到對更加整合全面的復(fù)合材料壓力容器內(nèi)襯層進行研究分析，這包括內(nèi)襯材質(zhì)［63］、內(nèi)襯結(jié)構(gòu)［64］、內(nèi)襯力學(xué)性能穩(wěn)定性［65］等各個方面。但同時，越來越多的學(xué)者開始利用影響內(nèi)襯的研究提供的數(shù)據(jù)，抽取出內(nèi)襯穩(wěn)定性關(guān)鍵變量，并通過先進的質(zhì)量檢測技術(shù)來更深入了解纖維纏繞工藝對內(nèi)襯層穩(wěn)定性的影響，對纖維纏繞、內(nèi)襯材質(zhì)和相互作用之間的關(guān)聯(lián)性進行挖掘探討，實時監(jiān)測復(fù)合材料壓力容器質(zhì)量，掌握復(fù)合材料壓力容器纖維纏繞經(jīng)驗規(guī)律［66-67］，圖10為常用的復(fù)合材料壓力容器質(zhì)量檢測技術(shù)操作示意圖，圖10（a）為使用CT掃描的區(qū)域；圖10（b）為壓力容器上的應(yīng)變監(jiān)測裝置。因此，未來應(yīng)開發(fā)具有多場、多因素特征的失效模式預(yù)測工具，為內(nèi)襯設(shè)計提供參考，進一步提高安全系數(shù)，提高儲氫密度。

4總結(jié)與展望

本文通過介紹復(fù)合材料壓力容器纏繞層優(yōu)化設(shè)計研究的同時梳理了纖維纏繞工藝的研究進展。隨著對纖維纏繞層纏繞角度和纏繞厚度研究的不斷深

入以及研究初期在民用中的難以推廣問題，纖維纏繞殼體網(wǎng)格理論雖然能得到均衡條件下的圓筒爆破壓強，但是在不同內(nèi)襯壁厚或纖維纏繞軌跡的影響下，理論計算值不夠精確；又由于非測地線纏繞可以擴大纏繞工藝范圍，對非測地線纏繞線型設(shè)計的研

究也受到了廣泛關(guān)注。然而當(dāng)前研究只考慮改變纏繞角度，忽略了其厚度再分配影響，還有就是封頭處兩個極孔會出現(xiàn)不同的情況易導(dǎo)致纖維堆積，限制了其應(yīng)用。于是，對網(wǎng)格理論進一步優(yōu)化推導(dǎo)和各種優(yōu)化算法的提出與使用極大提高了計算精度與工藝穩(wěn)定性。纖維纏繞工藝作為制造高性能復(fù)合材料部件的最先進、自動化程度較高的方法之一，通過纖維纏繞機采用不同纏繞方法制備復(fù)合材料壓力容器。至于干法纏繞工藝仍然處于發(fā)展的早期階段，需要研究者進一步進行探索。濕法纏繞工藝參數(shù)及纏繞方式的選擇起到對纖維纏繞壓力容器設(shè)計優(yōu)化的完整理解的作用。縱觀纖維纏繞工藝的發(fā)展過程，不斷優(yōu)化改進現(xiàn)有的纖維纏繞工藝和失效分析方法，不斷對現(xiàn)有檢測標(biāo)準(zhǔn)進一步細(xì)化和完善。如今，復(fù)合材料壓力容器纖維纏繞工藝研究向著仿真與制造一體化、整瓶優(yōu)化、高性能和低成本化方向發(fā)展，能夠加快中國能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化、低碳化和可持續(xù)化，推動“碳中和”終極目標(biāo)早日實現(xiàn)。

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Research progress of filament winding technology on composite pressure vessels

HUANG Zesheng1， ZHU Ltao1，2，3， SHEN Wei3， CHEN Lifeng3

（1.College of Textile Science and Engineering （International Institute of Silk）， Zhejiang Sci-Tech University， Hangzhou

310018， China; 2.Shaoxing Keqiao Research Institute of District of Zhejiang Sci-Tech University， Shaoxing 312030，

China; 3.Shaoxing Baojing Composite Materials Co.， Ltd， Shaoxing 312030， China）

Abstract：

The research on the design and preparation of composite pressure vessels， especially on filament winding （FW） technology， is a hot spot in the current high-pressure storage and transportation research. At the same time， the research on structure design optimization of composite pressure vessels and filament winding technology is summarized， which has become a common concern of scholars at home and abroad. It is very important to understand various process parameters， their combined effects， and the associated challenges when designing and manufacturing fiber winding structures.

With the deepening of the research on the winding angle and winding thickness of the fiber winding layer and the difficulty of popularization in civil use at the beginning of the research， although the fiber winding mesh theory can obtain the cylinder blasting pressure under the equilibrium condition， the theoretical calculation value is not accurate enough under the influence of different liner wall thicknesses or fiber winding trajectories. Because non-geodesic winding can expand the scope of the winding process， the research on non-geodesic winding type design has also been widely concerned. However， the current research only considers the change of the winding angle， ignoring the influence of thickness redistribution. Besides， the different situations of the two polar holes at the head will easily lead to fiber accumulation， which limits its application. Therefore， the further optimization of the mesh theory and the application of various optimization algorithms have greatly improved the calculation accuracy and process stability. Filament winding technology is one of the most advanced and automated methods for manufacturing high-performance composite parts. The composite pressure vessel is prepared by different winding methods through the fiber winding machine. As the dry winding process is still in the early stage of development， researchers need to conduct further exploration. The selection of wet winding process parameters and winding methods plays a complete role in the design optimization of composite pressure vessels. Throughout the development process of filament winding technology， the existing technology， and failure analysis methods are constantly optimized and improved， and the existing testing standards are constantly further refined and improved.

Nowadays， with the in-depth research and the requirements of application scenarios， more improved and optimized fiber winding manufacturing processes have been gradually introduced into the research field of composite pressure vessels， broadening the field of research. Secondly， more and more research projects around low-cost carbon fiber and thermosetting， thermoplastic resin systems and curing processes have emerged in large numbers， greatly promoting in-depth and expanded filament winding technology research. At the same time， failure mode prediction tools with multi-field and multi-factor characteristics should be developed in the future to provide a reference for lining design. Only by further improving the safety factor and increasing the density of hydrogen storage， can we accelerate the optimization， low carbon and sustainability of China's energy structure， and realize the ultimate goal of "carbon neutrality" at an early date.

Keywords：

mesh theory; non-geodesic winding; pressure vessel; wet winding; failure analysis

收稿日期：20220802

網(wǎng)絡(luò)出版日期：20221104

基金項目：浙江省基礎(chǔ)公益研究計劃項目（LGG21E050025）

作者簡介：黃澤升（1998—），男，河南信陽人，碩士研究生，主要從事紡織復(fù)合材料制備與性能測試方面的研究。

通信作者：竺鋁濤，E-mail： zhult@zstu.edu.cn