卫星推进系统复合材料高压气瓶爆破失效分析

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Burst failure analysis on high-pressure compositevessel of satelite propulsion systemLI Yufeng，JIN Qingchen，LIU Zhidong，WANG Xiaoyong(Lanzhou Institute of Aerospace Technology and Physics，Lanzhou 730000，China)Abstract：Two failure modes of composite vessel of satelite propulsion system ，the burst failure modeand the fatigue failure mode are introduced.The main factors causing burst failure are emphasized。

ANSYS is utilized to simulate multilayer structure model with spiral carbon filament winding layer andcircumferential filament winding layer by thin-wall shell element SHELL 9 1，and a method is proposed forburst failure verifcation.The research results show that，the stress fracture，composite layer damage andresin crack are the primary factors causing composite layer fracture.The test results of composite vesselindicates that，it is an efective and practical to simulate composite muhilayer structure by SHELL 9 1，and the verification method of burst failure based on single layer structure determination theory isreasonable and feasible，which can provide data basis to reduce the failure probability。

Key words：satellite；propulsion system；filament winding； composite；high-pressure vessel；burstfailure；finite element analysis引 - ： 口复合材料具有比强度高、比模量大和抗疲劳性能好等优点，并且较常规金属具有更好 的耐腐蚀性 ，满足航天系统对减轻质量的特殊要求，成为航天系统上应用越来越广泛的重要材料之-.3从 20世纪60年代起，国内就已经开始纤维缠绕复合层制造工艺研究与复合材料压力容器产品的开发，在开始的二三十年里，使用的纤维材料基本上是 S.玻璃纤维和Kevlar49纤维.[ 到20世纪 80年收稿日期：2013-04-15 修回日期：2013-05.27作者简介：李玉峰(1981-)，男，甘肃天水人，硕士，工程师，研究方向为航天器压力容器的设计与分析，(E-mail)lyfsoflware###126.COIlhttp：//第4期 李玉峰，等：卫星推进系统复合材料高压气瓶爆破失效分析 41代中期，随着碳纤维制造工艺的不断成熟，人们的研究重点开始转移到碳纤维领域.经过近20年的技术研究，在碳纤维缠绕复合材料压力容器研制方面积累丰富的工程经验。

许多空间系统需要高压气体或液体贮存容器，复合材料压力容器以质量轻、破坏前先泄漏 (LBB模式)的疲劳失效模式、生产费用低等优势，正逐渐取代金属容器.复合材料气瓶因其具有优异的综合性能而在航天领域有着非常广阔的应用背景，是卫星推进系统的关键部件之-.由于高压气瓶属于易爆危险部件，其性能与质量的好坏、可靠性与安全性的高低直接影响着整个航天器能否成功发射和正常运行，因此非常有必要深入研究该类气瓶的爆破安全固有特性和有限元分析技术。

本文研究气瓶缠绕用 的复合材料为碳纤维(T1000GB)/环氧树脂(BA202)，该材料由基体材料和增强材料组成，基体树脂为均匀各向同性材料，增强纤维为均匀正交各向异性材料. 利用 ANSYS对复合材料气瓶设计结构进行分析和计算 ，得出气瓶爆破特性 、掌握爆破验证方法等，为优化和完善设计结构提供参考，并且为其他同类产品的研制提供分析方法；同时，减少因实际产品的连续试验所带来的时间和经济损失，为缩短周期、降低成本提供保障。

1 功能失效模式复合材料气瓶主要有爆破失效和疲劳失效等 2种失效模式，即复合层承受高压爆裂失效和金属内衬受疲劳影响的泄漏失效.气瓶爆破失效模式是灾难性失效，所产生的高压气体释放、金属或纤维束高速碎片会对航天器造成严重破坏；气体泄漏失效模式属关键性失效，会导致发射推迟或无法完成在轨使命.金属内衬为超薄壁壳体，其作用是密封工作气体、为复合层缠绕提供芯模；复合层由碳纤维和环氧树脂经湿法缠绕后固化成型，是承担压力载荷的主体。

本文重点研究能有效降低爆破失效的措施和采用有限元分析软件验证爆破失效的理论方法.复合材料高压气瓶故障树见图 1，复合材料高压气瓶失效模式及其危害见表 1。

2 避免爆破失效的措施图 1 复合材料高压气瓶故障树Fig.1 Fault tree of high-pressure composite vessel2.1 失效原因复合材料缠绕层承担绝大部分(95%以上)甚至全部的压力载荷.通常用纤维材料作为增强材料，用树脂作为基体材料，基体材料起黏结纤维的作用，以剪切力的形式向纤维传递载荷，并保护纤维免受外界环境的损伤.复合材料气瓶在压力载荷作用下，容易发生基体开裂、纤维断裂、纤维与基体界面脱胶开裂和分层等.6 引起爆破失效的主要因素为：(1)应力断裂或承载失效；(2)对复合层的操作损伤或碰撞损伤；(3)基体开裂引发层间分层开裂。

42 计 算 机 辅 助 工 程 20l3年表 1 复合材料高压气瓶失效模式及其危害Tab.1 Failure mode and its hazard analysis ofhigh-pressure composite vessel单元/拈 复合层 内衬功能 承压 密封内衬开裂造成工作失效模式 破裂/爆炸气体 泄漏设计强度不够：纤 材料存在缺 陷：材可能失效 维分 层 断 裂、树 脂 料匹 配性 差 ：焊缝原因 开裂；复合层损伤； 不合格：局部应变环境条件引起过压 过大危 害度 灾难性 关键性应力断裂研究表明，气瓶承受恒定载荷达到-定时间周期后发生爆裂，尽管该恒定载荷只占爆破强度的-定比例，而碳纤维的时间周期要长于玻璃纤维和凯夫拉纤维；同时，内压过载超出缠绕层抗拉强度，也将导致气瓶爆破失效.碰撞损伤研究表明，导致纤维断裂的碰撞损伤往往在复合层内部而非表面，复合层与内衬的结合刚度越大，损伤越趋于外表面层.基体开裂研究表明，在压力载荷作用下，裂纹不断扩展和新裂纹不断生成，导致气瓶刚度、强度下降；同时，基体开裂容易引发层问分层开裂，在内压作用下，不同层的纤维产生滑动，导致气瓶缠绕层的破坏，引发爆破失效.7 复合材料气瓶爆破照片见图2。

图2 复合材料气瓶爆破照片Fig.2 Burst photograph of composite vessel2.2 复合层缠绕、固化方式复合材料气瓶的缠绕层结构强度采用成熟的网络理论进行设计，气瓶爆破压力的大小完全撒于缠绕层的缠绕角、缠绕层数、纤维强度发挥因数、铺层方式以及环氧树脂的黏结强度等.为保证复合层与内衬间的紧密贴合以及缠绕线型的稳定，缠绕层的最里层和最外层均设计为环向铺层，中间为环向铺层与螺旋铺层交替缠绕.纤维缠绕铺层次序示意见网 3。

- 气瓶 内衬 ··环向铺层>< 螺旋铺层图3 纤维缠绕铺层次序示意Fig.3 Schematic diagram of filament windingstacking layer seqilence该气瓶复合层以比强度性能较好的 TIO00GB碳纤维为增强材料，以与碳纤维间润湿性良好、使用温度范围适中、力学性能较高的 BA202环氧树脂为基体材料，通过湿法缠绕后经加热固化而成.复合层是气瓶主体承压部件，其质量好坏决定发生爆破失效的可能性大小.复合层制造过程主要涉及复合层缠绕和固化 2种关键工序，需要考虑的因素很多，如基体树脂的成分、鹦∮肟刂凭?取⒏春喜阃??绞胶凸袒?贫鹊