今日话题—聊一下IV储氢气瓶疲劳过程中发生爆炸的原因分析_疲劳_复合材料_裂纹_爆炸_材料_控制

今日话题—聊一下IV储氢气瓶疲劳过程中发生爆炸的原因分析

大家好，周五愉快！今天，我们将深入探讨IV气瓶在进行疲劳试验时发生爆炸的原因。这引出了逻辑学的重要性，一门极具价值的学科，我强烈建议大家学习。逻辑学能帮助我们透过表象，深入问题的核心，揭示事物的根本。

对于三型储氢气瓶（铝合金气瓶）来说，疲劳失效的形式是“未爆先漏”的安全失效模式，但是对于IV气瓶来说就很“奇怪”，它的疲劳失效形式出现了“爆破模式”，这可不是安全的失效形式，那造成这个“爆破模式”的根本在哪？

一、首先，气瓶的失效为疲劳+爆炸形式，主要我们需要关注的关键词在“爆炸”

分析过程

1.爆炸的表象究竟是什么呢？它是由于失效位置的结构强度不足所引起的；

2.那么，为何失效位置的强度会不足呢？显然，这并非由于碳纤维性能的下降，同样也不是树脂性能的减退。那么，究竟是什么因素导致了强度的下降呢？答案是：复合材料性能的下降。

3.那么，是哪些因素导致复合材料性能下降呢？没错，是疲劳！首先，在交变应力的作用下，碳纤维与基体界面的结合处会发生脱粘，削弱了两者的协同作用，从而降低了复合材料的整体性能。其次，基体损伤：基体材料在交变应力下容易产生微裂纹并逐渐扩展，这降低了其对碳纤维的支撑作用和载荷传递能力，进而导致复合材料的力学性能下降。（可以想象，就像一把筷子，在疲劳的作用下散开，原本整体的筷子作用，现在变成了单根或几根筷子的作用，自然容易损坏）

4.为何三型气瓶的疲劳常常表现为“未爆先漏”的安全失效模式，而IV型气瓶却会出现“爆破模式”呢？观察两者的差异，关键在于内胆材料的不同，一个是铝内胆，另一个是塑料内胆。让我们发挥想象力，将IV型储氢气瓶的内胆比作一个肺，在疲劳的作用下会经历膨胀和收缩，并且带动复合材料层一起参与这个“呼吸过程”；而三型气瓶的内胆由于刚度较大，交变应力较小，很少会带动复合材料层一起运动，因此复合材料的强度受到的影响较小。

5.接下来，我能不能控制纤维随内胆的“呼吸呢”？留下点悬念。

接下来有3个问题，欢迎小伙伴进行讨论；

1.针对以上的分析，设计上应该做哪些工作？

2.工艺上应该如何调整？

3.生产上应该如何检测？

来源：气瓶设计的小工程师

关于复合材料气瓶纤维壁厚的设计计算

之前一直没有聊过关于气瓶纤维壁厚的设计计算，主要还是利用网格理论对纤维的螺旋和环向厚度进行计算，这里咱们引用陈汝训老师的文章，推荐大家去阅读陈老师的文章。[1]陈汝训.纤维缠绕压力容器爆破压强计算[J].宇航材料工艺,2000,(06):28-31.[2]陈汝训.纤维缠绕气瓶设计分析[J].固体火箭技术,2008,31(06):625-628+634.纤维螺旋厚度与环向厚度计算单一螺旋缠绕圆筒单一螺旋缠绕气瓶压力容器的平衡方程为、。为满足这两个方程，需满足均衡型条件，即。此时，圆筒段的爆破压强为，同理如果我们前期未做相关计算，我们可以通过水压爆破试验去反推我们纤维实际的发挥强度，不过现在气瓶都是螺旋加环向缠绕。螺旋缠绕加环向缠绕圆筒对于螺旋缠绕加环向缠绕圆筒，其平衡方程为、。实现均衡型应变状态时，，进而得到环向与螺旋向纤维厚度比公式。若螺旋向和环向纤维抗拉强度极限相同为，则螺旋向纤维厚度，环向纤维厚度。如在满足均衡型缠绕条件下，纤维总厚度，且缠绕角决定纵向和环向纤维厚度分配，就是纤维的总厚度不与缠绕角有关系，只与半径和爆破压强有关系。爆破压强计算圆筒爆破压强计算在应变均衡型缠绕条件下，螺旋加环向缠绕圆筒与单一螺旋缠绕圆筒的爆破压强表达式相同，均为。但是在实际过程中，并不是理想的均衡应变缠绕，为了补强螺旋和防止封头过厚，一般要进行补强和扩孔处理。，和环向缠绕爆破压强，圆筒段的爆破压强为，不过对于气瓶的设计要求来说，要让气瓶在筒体爆炸，属于安全的爆炸形式，因此在设计中要让环向先发生爆炸。封头爆破压强计算在网格理论意义下，纤维缠绕圆筒压力容器的封头以等张力封头最为合理，但是目前在试验过程中不同封头类型对爆破影响的不是很大，考虑设计和工艺并未完全想匹配，由于是IV储氢气瓶，无论采用椭球封头，还是等应力封头，我个人认为意义不是特别大，因为瓶口位置的结构突变，已经存在很大的应力集中现象，主要降低圆筒和过渡处的弯曲应力，弯曲小一点，力也会小一些。其爆破压强为。当圆筒压力容器长径比不大时，以等张力封头爆破压强公式为基础，采用经验系数法确定爆破压强，如，其中为应力平衡系数，纤维缠绕椭球封头的较小，如椭球比为2的封头，一般取0.7，关于系数的话，是工程经验常数，大家可以根据自己的实际进行取值。我建议大家可以把公式编制成一个计算表格，方便计算推演。来源：气瓶设计的小工程师