复合材料缠绕压力容器在冲击载荷作用下的损伤和破坏行为研究

Fiber reinforced composite materials have been widely used in pressure vessels, which represents an very important research trend of light-weigh. Along with the increasing applications of composite pressure vessels, the safety of the composite pressure vessel have attracted more and more attention, especially on the damage and failure behavior after impact load. This project aims to the calculation and evaluation of the structural integrity of composite pressure vessel under impact load. Combined with numerical simulation, theoretical analysis and experimental study, the mechanism of damage and perforation of the pressure vessel under impact load will be studied, and the factors which affect the mechanism above will be discussed. For the case of high energy impact, analytical models of the minimum perforation energies and critical condictions for the transition of different failure modes will be established; for the case of the low energy impact, the effects of the impact dent and residual stress on the stress distribution in the operation process of pressure vessel will be discussed. The results obtained in the present project will be helpful for the design and protection of the composite pressure vessel, and also for the fatigue life prediction after impact damage and nondestructive examination.

纤维增强复合材料在压力容器中得到了广泛的应用，成为压力容器轻型化研究的一个重要方向。随着复合材料压力容器类型和应用场合的不断增加，人们对复合材料压力容器的安全性越来越重视，其在受到冲击载荷作用后的损伤和破坏行为成为人们关注的焦点和科学发展的热点。本项目旨在对复合材料压力容器在冲击载荷作用下的结构完整性进行基础理论研究。拟采用数值模拟、理论分析和实验研究相结合的方法，对复合材料压力容器器壁在局部冲击载荷作用下的损伤规律和穿透机理进行分析，研究各参数对复合材料压力容器冲击损伤和破坏模式等的影响规律。对高能量冲击情况，建立复合材料器壁发生穿透破坏的临界穿透耗能理论模型，揭示不同破坏模式之间的转换关系；对低能量冲击情况，研究撞击凹坑及残余应力对压力容器运行过程中应力分布的影响。本项目的研究工作可以为复合材料压力容器设计和安全防护、冲击损伤疲劳寿命评估和无损检测等提供参考。

纤维缠绕复合材料气瓶因具有高比强度、高比模量、抗疲劳性能好和结构设计灵活等优点，在航天、航空、石油化工和新能源汽车等领域得到了广泛应用。然而，纤维增强复合材料对冲击损伤比较敏感，当气瓶受到冲击载荷作用时，会在材料内部形成基体开裂、纤维断裂和层间分层等损伤，导致气瓶强度和寿命降低，形成安全隐患。为此，本项目旨在对碳纤维缠绕复合材料气瓶在外物撞击下的损伤和破坏行为进行研究。针对低能量冲击情况，开展复合材料气瓶壁面发生冲击损伤的影响因素分析，研究冲击残余应力和变形对气瓶受内压加载下应力分布特征的影响；针对高能量冲击情况，开展复合材料气瓶壁面发生穿透破坏的失效模式、规律以及对应的临界穿透耗能评估研究。. 通过开展碳纤维缠绕复合材料气瓶在平头、球头和锥形冲头撞击下的试验、数值模拟和理论研究工作，建立了碳纤维增强复合材料连续损伤本构模型并实现了本构模型在ABAQUS软件中的二次开发，掌握了气瓶在平头、球头和锥形冲头低能量和高能量撞击下的冲击损伤特征，探讨了冲击能量、内压大小、冲头形状与尺寸、复合材料和内衬壁厚等因素的影响规律，找出了影响气瓶冲击损伤和破坏行为的关键因素，提出了纤维增强复合材料损伤与失效的计算方法(外物撞击下复合材料的连续损伤本构模型、考虑复合材料层内裂纹与层裂的数值计算)、复合材料气瓶壁面穿透破坏的临界冲击能量预测方法、复合材料气瓶在不同能量外物撞击下的冲击损伤和穿透破坏初步评价方法。本项目的研究成果可以为复合材料气瓶设计与安全防护、冲击损伤疲劳寿命评估以及无损检测等提供方法借鉴和参考。