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1、一玻瑞钢学会第十五届全国玻璃钢复合材料学术年会论文集年纤维缠绕金属内衬压力容器的疲劳行为分析肖文刚郭志峰郭丽敏何志华王浩北京玻璃钢研究设计院一,摘要本丈论述了纤维坡烧金属内衬压力容器疲劳寿命的分析和设计技术并对容器在制造和使用中。,影响疲劳寿命发挥的因素进行了总结应用断裂力学对复合材料压力容器的疲劳行为进行分析对保证其在。使用中的安全可幸性具有极为重要的意义关健词复合材料压力容器疲劳前言复合材料。压力容器是由内衬层和复合材料外层组成的外层的复合材料层承担着大部分“”“”,。的内压载荷内衬层主要是在缠
2、绕过程中起芯模和骨架的作用工作时起气密性的作用,“”“。”,根据内衬的承载情况分为承载内衬和非承载内衬目前复合材料压力容器的金属内衬,“”。大都采用整体无焊缝形式还有一小部分非承载内衬仍采用焊接形式。压力容器的破坏形式主要是以在达到一定循环次数后的疲劳破坏为主疲劳破坏是指在,。周期性交变载荷作用下材料发生的破坏行为它反映了材料经周期应力或应变时的失效过程,,复合材料由于与金属材料的结构构造不同疲劳的机理不同所表现出来的疲劳现象有很大的,,。,不同一般说来复合材料的抗疲劳破坏能力比传统的金属材料好的多因此金属内衬在循。环载荷作用下的疲劳行
3、为是决定复合材料压力容器疲劳寿命的关键,,、、,金属内衬在加工和使用过程中由于种种原因例如非金属夹渣气泡腐蚀坑锻造和轧,,,。,制缺陷焊缝裂纹表面刻痕等等都会存在各种形式的裂纹在交变载荷作用下表面裂纹会,,。,开始扩展直至穿透整个壁厚导致内衬渗漏失效因此复合材料压力容器的疲劳行为与裂。,,纹扩展有直接的关系通过现代检验技术如无损探伤查明裂纹的尺寸和几何形状可以充分,。,估计其使用寿命建立设计判据这种把疲劳设计建立在各种裂纹基础上并考虑裂纹在交变,。载荷作用下的扩展特性是保证容器安全工作的重要途径,,,其次某些薄壁非承载内衬在工作时其局部
4、应力已超过屈服极限在这样高的应力下塑,,,。性变形经一定次数的应变积累后便会产生疲劳破坏于是存在着低循环疲劳破坏的问题内衬层的受力分析,,、复合材料压力容器在内压作用下内衬层处于非常复杂的三向应力状态即周向应力轴。,,,向应力和径向应力而且金属的弹性变形极限远小于复合材料的弹性极限容器在工作时,。,内衬应力水平可能超过材料屈服极限而处于塑性状态目前对于厚壁承载内衬常采用的应。。,力控制技术是施加预紧压力法其施加过程如图所示由于缠绕张力的作用复合材料层,。,中有初始拉应力金属内衬中有初始压应力升压时金属内衬和复合材料分别沿各自的应力,
5、,、。应变曲线上升达到定型压力时复合材料和金属内衬处于一定的应力应变平衡状态卸压,,。,,时内衬应力不能沿原路线返回而产生一定的残余变形此时复合材料层处于拉应力状态。,内衬层处于压应力的状态再次施加压力时金属内衬中的工作应力和应变区域从到应力拉将。会大大减小,同时施加预紧压力还是对内衬中的裂纹“”。定里压力进行筛选的一个过程裂纹引起构件发生破坏时,其尺寸和构件的应力应变状态之间存,,工作应力区在密切的关系复合材料容器在加压过程中某些较大尺寸的裂纹将会迅速扩展直至穿透,。整个壁厚而使容器渗漏失效断裂力学在疲劳分析中的应用应
6、压力,与大多数金属结构件的疲劳行为类似金属内衬在交变载荷作用下,可以观察到单一主,裂纹有规律的扩展现象这一主裂纹控制着最图内衬受内状态。,终的疲劳破坏断裂力学认为当带有宏观裂,。纹的材料或构件受到外力作用时裂纹尖端附近的区域就产生应力应变集中效应当此区域,,,的应力应变高到一定程度超过材料的负荷极限时裂纹便迅速扩展称为失稳扩展并构成。整个材料或构件在低应力状态下发生脆性断裂至于裂纹尖端区域的应力应变究竟达到何种,,,,程度裂纹便迅速扩展目前主要有两种判断准则即基于线弹性断裂力学判据和基于弹塑性。断裂力学判据,。,线弹性断裂力
7、学是将材料当作理想的线弹性体其基本的断裂判据为式中。,。为裂纹尖端的应力强度因子为材料的断裂韧性。应力强度因子与裂纹体的形状和裂纹的尺寸及方向所加载荷的大小和作用方向在。边界力的主矢量和主矩不为零时还与材料的泊松比有关材料的断裂韧性要通过试验来确定,它与材料的化学成分、冶炼、及热处理工艺常规的力学性能及测试的条件如温度有。、,关通常高强度超高强度钢的断裂韧性要低于低强度合金钢这也是使用高强度钢对。于抗疲劳性能并未改善的原因。线弹性断裂力学一般适用于裂纹尖端附近不发生塑性变形或塑性区很小的情况对于韧
8、,。性较好的材料就不再适用了。弹塑性断裂力学常用的断裂判据是裂纹张开位移法和形变功积分法。表明裂纹受力后张开的位移量通常是用裂纹尖端张开位移的临界值判断材料断,。、、,裂韧性值即
