法國aerospaial空間copv的研制與應(yīng)用

法國aerospaial空間copv的研制與應(yīng)用

1.1.1雙組分纖維織物的研發(fā)法國aelugale空間研究中心（as）長(zhǎng)期以來也致力于研究空間copv。自1959年以來，as開始研究空間copv。該copv已應(yīng)用于熒光地面、tdf1衛(wèi)星、歐洲羅倫衛(wèi)星、dfs衛(wèi)星、tele-x衛(wèi)星、ariae4艦和其他空間飛機(jī)。自1984年以來，copv在空間系統(tǒng)中的應(yīng)用已超過1000個(gè)。1984年以前,AS為Tale-X衛(wèi)星和TVSAT分別研制了35L和51L鈦襯芳綸纏繞COPV,兩COPV結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本相同;在成熟技術(shù)基礎(chǔ)上,1984年,AS又為TVSAT-TDF1星D.B.S項(xiàng)目研制了TC4鈦合金內(nèi)襯芳綸纖維球形COPV。研究發(fā)現(xiàn)纏繞纖維向正反方向滑移1°所造成的COPV強(qiáng)度損失分別為2.9%和5.5%。為了提高COPV纖維纏繞精度,AS委托法國Liege大學(xué)為其研發(fā)了COPV研制專用的纖維纏繞成型CAD/CAM系統(tǒng)(SAMCEF),SAMCEF可以減少人工繁瑣的計(jì)算工作,提供多種設(shè)計(jì)方案,縮短設(shè)計(jì)周期,保證纖維按最佳線型進(jìn)行纏繞,提高產(chǎn)品質(zhì)量和成品率。隨著IM系列碳纖維在空間COPV領(lǐng)域的推廣,AS從1988年也開始了IM6碳纖維纏繞COPV的研究,相比美國SCI對(duì)IM6碳纖維COPV的研究晚兩年,當(dāng)時(shí)AS已經(jīng)通過調(diào)研得知IM6碳纖維相比芳綸纖維具有絕對(duì)的強(qiáng)度性能優(yōu)勢(shì)和IM6碳纖維空間應(yīng)用可行性的分析結(jié)果,但是AS的嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)態(tài)度致使其針對(duì)碳纖維纏繞COPV進(jìn)行了一系列的研制技術(shù)摸索和性能鑒定試驗(yàn),以驗(yàn)證其空間應(yīng)用的可行性,其制造多個(gè)ue54e300mm圓柱形和ue54e203mm球形IM6-COPV以進(jìn)行鑒定試驗(yàn),試驗(yàn)包括-60~90℃的溫度沖擊試驗(yàn)、1000次疲勞壽命試驗(yàn)、90天工作壓力試驗(yàn)、驗(yàn)證壓力下聲發(fā)射檢驗(yàn)、爆破壓力試驗(yàn),所研制COPV性能對(duì)比結(jié)果見表1,證實(shí)了IM6碳纖維替代芳綸纖維的必然趨勢(shì)。1.1.1縮比樣件研制日本航天發(fā)展局(NASDA)為本國空間系統(tǒng)研制了大量的COPV,其中復(fù)合材料低溫貯箱研制技術(shù)較為成熟。1997年,NASDA聯(lián)合日本國家航天實(shí)驗(yàn)室(NAL)針對(duì)COPV纖維低溫力學(xué)性能和COPV樹脂基體低溫抗裂紋擴(kuò)展性能進(jìn)行了研究,并為空間用復(fù)合材料低溫貯箱研制了低溫高韌性樹脂材料。1999年,NASDA與NAL合作對(duì)可重復(fù)適用航天運(yùn)載器(RLV)用復(fù)合材料低溫貯箱的可行性進(jìn)行了分析,并擬定了研究方案,NASDA全復(fù)合材料低溫貯箱的研究路線和美國空軍試驗(yàn)(AFRL)基本一致,均是將研發(fā)高性能低溫復(fù)合材料作為項(xiàng)目攻關(guān)的核心技術(shù)。通過復(fù)合材料低溫性能研究表明:纖維纏繞增強(qiáng)高韌性樹脂復(fù)合材料低溫下力學(xué)性能相對(duì)常溫環(huán)境下降20%,在較低的應(yīng)力下就會(huì)發(fā)生裂紋起裂,可能導(dǎo)致全復(fù)合材料貯箱介質(zhì)泄漏,復(fù)合材料性能溫度與損傷特征與應(yīng)力的關(guān)系分別見圖15(a),(b),擬定的研制方案是研制低溫貯箱縮比樣件,并配套相關(guān)的鑒定試驗(yàn)設(shè)備。同年,NASDA針對(duì)低溫貯箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)確定了兩套方案:a方案為全復(fù)合材料低溫貯箱,b方案為金屬內(nèi)襯復(fù)合材料全纏繞低溫貯箱。NASDA制備低溫貯箱縮比樣件比例為0.5,起初采用全復(fù)合材COPV結(jié)構(gòu)方案,內(nèi)襯材料選擇為FM123粘結(jié)材料,進(jìn)行液氮加注試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)樣件各處發(fā)生大規(guī)模泄漏,NASDA對(duì)樣件剖切進(jìn)行FM123粘結(jié)材料微觀組織結(jié)構(gòu)分析,發(fā)現(xiàn)材料經(jīng)歷低溫環(huán)境產(chǎn)生大量空洞,缺陷特征見圖15(c),a方案失敗,NASDA進(jìn)而對(duì)b方案進(jìn)行了深入研究。2001年,NASDA負(fù)責(zé)為J-I升級(jí)型火箭第二級(jí)研發(fā)鋁合金內(nèi)襯碳纖維增強(qiáng)低溫高韌性樹脂全纏繞復(fù)合材料貯箱,貯箱PW:2.16MPa,PT:2.7MPa,Pb:3.24MPa,疲勞壽命:PW12次、PT5次。研制初期進(jìn)行了縮比樣件研制試驗(yàn),1號(hào)樣件:ue54e500mm×1240mm,內(nèi)襯壁厚0.5mm,試驗(yàn)結(jié)果為:驗(yàn)證壓力試驗(yàn)和溫度沖擊試驗(yàn)合格,驗(yàn)證壓力試驗(yàn)后內(nèi)襯與復(fù)合層未產(chǎn)生分層,爆破壓力試驗(yàn)證實(shí)結(jié)構(gòu)效率提高,1號(hào)樣件研制成功;2號(hào)樣件:ue54e1044mm×2775mm,內(nèi)襯壁厚1mm,研制結(jié)果如下:CFRP固化過程中內(nèi)襯封頭發(fā)生輕微屈曲變形,在后續(xù)的驗(yàn)證壓力下發(fā)生屈曲變形的封頭產(chǎn)生破裂,同批次2號(hào)樣件進(jìn)行驗(yàn)證壓力試驗(yàn)和溫度沖擊試驗(yàn),筒體內(nèi)襯和CFRP完好,內(nèi)襯封頭再次破壞。針對(duì)以上問題,NASDA提出以下解決措施:(1)優(yōu)化內(nèi)襯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);(2)提高內(nèi)襯壁厚均勻性、提高內(nèi)襯與CFRP的結(jié)合強(qiáng)度;(3)CFRP固化工藝中鋁合金內(nèi)襯的內(nèi)壓調(diào)節(jié)。3條解決措施被應(yīng)用于3號(hào)樣件的研制,3號(hào)樣件:ue54e500mm×1200mm,內(nèi)襯壁厚1mm,研制結(jié)果如下:CFRP固化過程和驗(yàn)證壓力內(nèi)襯無屈曲變形、內(nèi)襯與復(fù)合材料無分層,爆破試驗(yàn)后COPV沿筒體開裂。3號(hào)樣件研制成功后,NASDA開展了J-I升級(jí)型火箭第二級(jí)貯箱全比例鑒定件的研制,J-I升級(jí)型火箭貯箱布局見圖15(d),1~3號(hào)樣件形貌分別見圖15(e)~(g)。關(guān)于NASDA全比例鑒定件的研究文獻(xiàn)目前還未獲悉。2003年,東京大學(xué)承擔(dān)了NASDA全復(fù)合材料低溫貯箱的研制項(xiàng)目,研究了復(fù)合材料應(yīng)變水平與樹脂基體裂紋擴(kuò)展的關(guān)系。2004年的研究結(jié)果表明:在低溫環(huán)境驗(yàn)證壓力下全復(fù)合材料貯箱還是存在泄漏現(xiàn)象。由此分析:截至2004年,NASDA在用低溫貯箱為金屬內(nèi)襯復(fù)合材料貯箱,但是全復(fù)合材料貯箱研制也在同時(shí)進(jìn)行中。我國應(yīng)加大力度支持空間用復(fù)合材料低溫貯箱的研究項(xiàng)目,薄壁鋁合金內(nèi)襯碳纖維環(huán)向增強(qiáng)或全纏繞復(fù)合材料低溫貯箱應(yīng)該是一條合理實(shí)際的研制目標(biāo),相比全金屬COPV,結(jié)構(gòu)效率明顯提高,技術(shù)的突破帶來性能的飛躍,在此方面,NAS-DA經(jīng)歷的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)可以作為我國確定關(guān)鍵技術(shù)的參考。1.1.1繞射層厚度對(duì)copv應(yīng)力應(yīng)變的影響韓國高新科學(xué)技術(shù)研究所(AIST)致力于COPV結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)其性能影響的研究。2003年,AIST對(duì)COPV復(fù)合材料彈性模量、復(fù)合材料層間強(qiáng)度、環(huán)向與縱向纏繞層厚度對(duì)COPV應(yīng)力應(yīng)變的影響進(jìn)行了研究,同批次ue54e254mmCOPV研制數(shù)量10個(gè),研究表明:COPV爆破時(shí)環(huán)向纖維與螺旋纖維的應(yīng)變分別為1.4%和0.8%,COPV爆破試驗(yàn)過程復(fù)合材料的損傷對(duì)螺旋纖維應(yīng)變的影響更大,見圖16(a),工藝參數(shù)對(duì)螺旋纖維和環(huán)向應(yīng)變的影響見圖16(b),(c),COPV爆破強(qiáng)度分布情況見圖16(d),環(huán)向纏繞層厚度和縱向纏繞層間強(qiáng)度對(duì)可靠性影響較大,其他工藝參數(shù)影響較小,見圖16(e)。1.2copv在中國的研究1.2.1復(fù)合材料煙氣研究進(jìn)展中國航天科技集團(tuán)五院五一○所(蘭州空間技術(shù)物理研究所)航天壓力容器研制中心長(zhǎng)期致力于航天壓力容器的研究,在空間壓力容器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)有限元分析技術(shù)、可靠性研究、失效風(fēng)險(xiǎn)分析、壽命預(yù)測(cè)、沖擊損傷評(píng)定、殼體成型技術(shù)、焊接、表面改性、檢驗(yàn)試驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用等方面具有豐富的經(jīng)驗(yàn),所研制產(chǎn)品種類包括鈦合金表面張力貯箱、鈦合金氣瓶、復(fù)合材料氣瓶、隔膜貯箱等。蘭州空間技術(shù)物理研究所在金屬內(nèi)襯復(fù)合材料氣瓶的研制技術(shù)方面較為成熟,所研制復(fù)合材料氣瓶廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星飛船、火箭、導(dǎo)彈、航空等軍工系統(tǒng),對(duì)于研制的航天復(fù)合材料氣瓶,性能因子大于30km,服役壽命期內(nèi)可靠度大于0.999,具備LBB失效模式;對(duì)于研制的航空復(fù)合材料氣瓶,耐受溫度-60~140℃、常溫和低溫疲勞壽命均≥5000次,爆破強(qiáng)度大于100MPa,能夠經(jīng)受全面的性能鑒定試驗(yàn)和環(huán)境鑒定試驗(yàn)(GJB150—86/2009)、具備LBB失效模式和無高能量沖擊碎片的槍擊失效模式。通過長(zhǎng)期COPV研制技術(shù)摸索和預(yù)研技術(shù)研究,蘭州空間技術(shù)物理研究所掌握了超薄內(nèi)襯成型技術(shù)和高強(qiáng)碳纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù),能夠完成球形、近球形、橢球形、球形/橢球形/等張力封頭圓柱形、錐形、環(huán)形COPV的結(jié)構(gòu)最優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過蘭州空間技術(shù)物理研究所航天壓力容器研制中心與合作單位協(xié)作的纏繞技術(shù)攻關(guān),可以解決單極孔、等直徑雙極孔、不等直徑雙極孔、多極孔COPV、復(fù)雜接口界面的纏繞成型關(guān)鍵技術(shù),所研制COPV具有較高的可靠性、安全性和性能因子。1.2.2copv結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的經(jīng)典算法中國航天科技集團(tuán)公司四院四十一所將成熟的發(fā)動(dòng)機(jī)殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)移植給空間COPV研制領(lǐng)域,陳汝訓(xùn)為工程界提供了多種結(jié)構(gòu)類型的COPV結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的經(jīng)典算法,包括:等厚度薄壁圓柱形金屬內(nèi)襯復(fù)合材料殼體的網(wǎng)絡(luò)理論設(shè)計(jì)方法、纖維纏繞壓力容器爆破強(qiáng)度的計(jì)算方法、復(fù)合材抖殼體圈筒臨界軸壓的計(jì)算公式、金屬內(nèi)襯混雜纖維纏繞殼體在內(nèi)壓作用下的平衡方程、內(nèi)襯復(fù)合材料殼體變形特性的研究、非承載金屬內(nèi)襯單一螺旋纏繞或螺旋加環(huán)向纏繞壓力容器的爆破壓力預(yù)測(cè)公式、纖維纏繞圓錐殼體復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)算法等。1.2.3纖維混雜化學(xué)混紡產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中國航天科技集團(tuán)四院四十三所(西安航天復(fù)合材料研究所)也是國內(nèi)較早從事航天COPV研制的單位之一。2000年,曾金芳等針對(duì)碳纖維纏繞球形COPV結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和纏繞線型提出了變帶距纏繞方法,研究表明:在纖維設(shè)計(jì)應(yīng)力相同條件下,采用變帶距纏繞的球形容器,其復(fù)合材料重量比等帶距纏繞的輕24.6%,而其容器特性系數(shù)高出10.4%。2002年,王曉潔等對(duì)F12芳綸纖維/T800碳纖維混雜纏繞COPV進(jìn)行了研究,研究表明:從強(qiáng)度、剛度、工藝性綜合考慮認(rèn)為,以碳纖維為縱向纏繞層、F12纖維為環(huán)向纏繞層的混雜結(jié)構(gòu)為最佳混雜方式。2004年,王增加等對(duì)纖維纏繞成型CAD/CAM系統(tǒng)進(jìn)行了研究,指出CAD/CAM系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)為構(gòu)件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法、數(shù)學(xué)模型和數(shù)控系統(tǒng)。2005年,李翠云等對(duì)環(huán)形氣瓶纏繞的纖維軌跡進(jìn)行了方案設(shè)計(jì),通過環(huán)形曲面測(cè)地線方程的確定、環(huán)形氣瓶FW線型的計(jì)算、繞絲嘴運(yùn)動(dòng)控制方程的確定,完成了環(huán)形氣瓶纏繞線型設(shè)計(jì),為環(huán)形COPV纏繞工藝的開展奠定了理論基礎(chǔ)。2006年,方東紅等對(duì)鋁合金內(nèi)襯T700內(nèi)纏繞承壓層EC8玻璃纖維纏繞外保護(hù)層圓柱形COPV進(jìn)行了研究,氣瓶爆破壓力大于100MPa,氣瓶經(jīng)過58MPa預(yù)緊處理后,內(nèi)襯獲得了較為理想的應(yīng)力分布狀態(tài),疲勞壽命大于5000次。1.2.4構(gòu)設(shè)計(jì)的研究中國航天科技集團(tuán)六院801研究所(原八院801所-上?？臻g推進(jìn)研究所)在COPV結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了一定的研究。2004年,晏飛等對(duì)纖維纏繞金屬內(nèi)襯壓力容器的設(shè)計(jì)和分析技術(shù)進(jìn)行了討論,指出鋁合金內(nèi)襯通常只能應(yīng)用于空間系統(tǒng)循環(huán)壽命要求較低的復(fù)合材料壓力容器,設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)乃苄怨ぷ麂X內(nèi)襯,能較好地滿足空間系統(tǒng)壓力容器的輕質(zhì)量和低泄漏等要求。1.2.5結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法20世紀(jì)70年代,哈爾濱玻璃鋼研究院就對(duì)帶有金屬內(nèi)襯的高壓容器進(jìn)行了深入研究,并提出了“彈性設(shè)計(jì)”和“半彈性設(shè)計(jì)”兩種方法。1978年,李衛(wèi)東等提出了金屬內(nèi)襯復(fù)合材料氣瓶的網(wǎng)絡(luò)理論設(shè)計(jì)方法;1984年,王秉權(quán)等指出金屬內(nèi)襯復(fù)合材料氣瓶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù);1989年,姜廣祥提出了非承載內(nèi)襯纖維纏繞等直徑雙極孔球形COPV的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)算法,算法引入纖維強(qiáng)度發(fā)揮系數(shù)的位置函數(shù)F(X),以最大應(yīng)力為破壞準(zhǔn)則,采用球殼張力分析分區(qū)設(shè)計(jì);2001年,婁小杰等提出了球形封頭圓柱形氣瓶的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)算法,指出球形封頭應(yīng)采用多包絡(luò)圈的纏繞結(jié)構(gòu),筒體設(shè)計(jì)則依據(jù)網(wǎng)絡(luò)理論;2002年,姜廣祥等對(duì)不等極孔球形COPV結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究,按完整等極孔球體加權(quán)平均法進(jìn)行纖維纏繞設(shè)計(jì);2003年,林再文等對(duì)焊接純鋁內(nèi)襯芳綸纖維纏繞圓柱形COPV進(jìn)行了研究,COPV性能因子18.2km;2003年,王明寅等對(duì)鋁襯復(fù)合氣瓶進(jìn)行了研究,封頭與筒體的交接處是高應(yīng)力區(qū),需進(jìn)行局部補(bǔ)強(qiáng)。2004年,婁小杰等對(duì)錐殼容器纏繞線型進(jìn)行了研究,從纏繞線形穩(wěn)定性方面研究了錐殼纖維纏繞工藝,確定出對(duì)應(yīng)于穩(wěn)定纏繞纖維軌跡的五軸纏繞機(jī)相互協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。2005年,蔣喜志等對(duì)鋁合金內(nèi)襯芳綸纖維纏繞環(huán)形氣瓶進(jìn)行了研究,采用纖維干法纏繞工藝,涂刷或真空浸漬膠液,待纖維完全浸潤(rùn)后用刮擦、吸附等方法控制含膠量的纏繞工藝;固化方法采用表面包覆收縮膜后再進(jìn)行固化方式,掌握了環(huán)形COPV纏繞工藝技術(shù)。1.2.6copv預(yù)緊壓力和疲勞性能北京玻鋼院復(fù)合材料有限公司(原北京玻璃鋼研究院、251廠)也是較早開展復(fù)合材料COPV纏繞技術(shù)研究的單位之一。早在20世紀(jì)70年代,251廠就對(duì)COPV結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)算法、纏繞線型、應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行了研究。2001年,黃再滿等對(duì)預(yù)緊壓力技術(shù)進(jìn)行了研究,通過對(duì)COPV預(yù)緊壓力過程中內(nèi)襯非線性應(yīng)力分析、復(fù)合材料應(yīng)力分析、內(nèi)襯殘余應(yīng)力分析,確定預(yù)緊壓力為40MPa,預(yù)緊壓力處理后,鋁合金內(nèi)襯最大vonMises應(yīng)力由244.4MPa下降到117.6MPa,控制內(nèi)襯應(yīng)力水平,提高了COPV疲勞壽命。2003年,肖文剛等對(duì)金屬內(nèi)襯COPV的疲勞行為進(jìn)行了研究,對(duì)內(nèi)襯結(jié)構(gòu)包括過渡區(qū)、焊接區(qū)域、材料局部缺陷、內(nèi)襯失穩(wěn)、局部褶皺對(duì)COPV疲勞性能的影響進(jìn)行了分析。2007年,李小明等對(duì)COPV鋪層優(yōu)化設(shè)計(jì)和預(yù)緊壓力工藝進(jìn)行了研究,研究表明:纏繞層數(shù)較多和厚度較厚時(shí),COPV力學(xué)性能對(duì)鋪層順序不敏感。1.2.7金屬刑事力學(xué)材料復(fù)合化技術(shù)對(duì)copv樹脂體系固化過程的應(yīng)用研究哈爾濱工業(yè)大學(xué)在COPV研究領(lǐng)域側(cè)重于數(shù)值模擬技術(shù)、可靠性分析技術(shù)、輕質(zhì)COPV研制技術(shù)的研究。2006年,沈軍等對(duì)COPV可靠性設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究,確定纖維強(qiáng)度的離散程度是COPV可靠性設(shè)計(jì)的重要影響因素;2007年,胡照會(huì)等對(duì)超薄金屬內(nèi)襯COPV樹脂體系固化動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了分析,指出該型COPV在固化成型過程中,因樹脂收縮、溫度梯度、復(fù)合材料與金屬內(nèi)襯熱不匹配造成的殘余壓應(yīng)力易導(dǎo)致內(nèi)襯褶皺,內(nèi)襯褶皺降低了結(jié)構(gòu)的疲勞壽命;2007年,李地紅等研發(fā)了復(fù)合材料纏繞壓力容器纏繞過程模擬軟件,軟件反映出纖維纏繞成型的全部過程,適用于測(cè)地線纏繞設(shè)計(jì)。2009年,王榮國等對(duì)輕量化COPV研究技術(shù)進(jìn)行了研究,針對(duì)薄壁鋁合金內(nèi)襯旋壓技術(shù),提出了分階段熱處理旋壓成型方法,針對(duì)不等極孔COPV,提出了有利于COPV減重的纖維纏繞沿主應(yīng)力方向進(jìn)行規(guī)劃的設(shè)計(jì)方法。1.2.8copv超壓工藝過程多大連理工大學(xué)在COPV研究領(lǐng)域側(cè)重于數(shù)值模擬技術(shù)及熱塑性復(fù)合材料纏繞成型工藝的研究。2005年,任明法等根據(jù)固化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、熱傳導(dǎo)和復(fù)合材料力學(xué)理論提出一種固化工藝力學(xué)有限元分析方法,考慮了固化度、溫度和應(yīng)力、應(yīng)變場(chǎng)之間的多場(chǎng)偶合影響,研究表明:在固化工藝過程中,容器內(nèi)部的所有應(yīng)力分量具有同時(shí)達(dá)到峰值的特征,其中應(yīng)力分量的峰值出現(xiàn)在固化降溫階段的初期;2007年,陳浩然等對(duì)國內(nèi)外復(fù)合材料纏繞殼體結(jié)構(gòu)成型和使用過程多場(chǎng)分析的研究成果進(jìn)行了具有一定深度的綜合調(diào)研,對(duì)COPV超壓工藝提出的見解是:利用結(jié)構(gòu)分析確定合理超壓壓力值,該結(jié)構(gòu)分析屬于多種非線性的耦合分析問題;2009年,孫寶磊等對(duì)熱塑性復(fù)合材料纏繞成型工藝技術(shù)進(jìn)行了分析,所需設(shè)備簡(jiǎn)單,制造工序得到簡(jiǎn)化,有效降低復(fù)合材料制造成本。1.2.9fwrp的研究南京航空航天大學(xué)在COPV研究領(lǐng)域側(cè)重于纖維纏繞復(fù)合材料(FWRP)力學(xué)特性和纏繞張力控制系統(tǒng)的研究。2008年,李儉等對(duì)FWRP力學(xué)特性進(jìn)行了調(diào)研分析,指出:FWRP力學(xué)特性主要影響因素包括載荷特性、材料特性、成型工藝參數(shù),由于FWRP損傷破壞比較復(fù)雜,目前FWRP的理論分析基本是在理想條件下進(jìn)行的,對(duì)于影響強(qiáng)度的諸多因素,如材料內(nèi)部缺陷、材料性質(zhì)的隨機(jī)性、工藝參數(shù)等基本上未加考慮;2008年,文立偉等對(duì)凸面封頭圓柱形回轉(zhuǎn)體芯模六軸纏繞機(jī)5坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)纏繞進(jìn)行了研究,5坐標(biāo)纏繞可以解決目前纏繞過程中所出現(xiàn)的在極孔處的纖維不能充分展開、厚度和張力不均勻問題;2009年,李儉等對(duì)纏繞復(fù)合材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究,指出細(xì)觀剛度模型反映材料內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)力應(yīng)變分布的影響。1.2.1繞設(shè)備及配套系統(tǒng)的研制武漢理工大學(xué)在COPV研究領(lǐng)域側(cè)重于纏繞設(shè)備及配套系統(tǒng)的研制。研究領(lǐng)域涉及微機(jī)控制纖維纏繞機(jī)的CAD/CAM系統(tǒng)、遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)、纖維纏繞張力微機(jī)控制系統(tǒng)。1.2.1復(fù)合材料鋼絞線制備方法在973課題、863課題等的支持下,針對(duì)車載高壓儲(chǔ)氫COPV,浙江大學(xué)對(duì)該型COPV性能、設(shè)計(jì)方法等進(jìn)行了深入研究,并取得了一定的研究成果,成立了全國氣瓶標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)車用高壓燃料氣瓶分技術(shù)委員會(huì)。1996年,鄭傳祥等對(duì)扁平繞帶式壓力容器的復(fù)合材料特性和纏繞工藝進(jìn)行了研究,指出扁平繞帶式壓力容器在使用中具有突出的安全性,使用壽命長(zhǎng)于多層包扎式、單層式、瓦片式結(jié)構(gòu)氣瓶,鋼帶的纏繞傾角在15°~30°最為合理。2001年,陳建良等對(duì)復(fù)合材料氣瓶應(yīng)力分析方法、失效準(zhǔn)則和設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了研究,并闡述了一種典型結(jié)構(gòu)COPV的研制過程。2005年,華志恒等對(duì)CFRP空隙形態(tài)特征進(jìn)行了研究,研究表明:CFRP中空隙大多發(fā)生在層間,而且會(huì)沿層間發(fā)展,空隙的面積和長(zhǎng)度都會(huì)隨孔隙率的增加而增加。2006年,鄭傳祥等對(duì)碳纖維纏繞鋁合金內(nèi)襯復(fù)合材料儲(chǔ)氫容器力學(xué)特性進(jìn)行了研究,提出了改型COPV的力學(xué)分析方法,通過對(duì)簡(jiǎn)化模型的彈性力學(xué)分析,推導(dǎo)出筒體縱向和環(huán)向纏繞相結(jié)合的纏繞層的應(yīng)力公式,通過工程實(shí)踐驗(yàn)證,該算法具有較好的正確性,誤差在6%以內(nèi),可以滿足工程計(jì)算。2009年,鄭津洋等對(duì)纖維纏繞高壓氫氣瓶火燒溫升試驗(yàn)和數(shù)值技術(shù)進(jìn)行了研究,研究氣瓶在火燒情況下的安全性能及內(nèi)部氣體的溫升規(guī)律,并進(jìn)行了火燒試驗(yàn)研究,得到了氣瓶外表面的溫度場(chǎng)分布及內(nèi)部氣體的溫升規(guī)律,結(jié)果表明內(nèi)部氣體的溫升速率很小,且與外表面存在較大溫差;以試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)建立3D數(shù)值模型,對(duì)火燒時(shí)氣瓶?jī)?nèi)部氣體的溫升進(jìn)行模擬,并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果進(jìn)行比較分析,表明所建立的模型能較為準(zhǔn)確地模擬氣瓶火燒試驗(yàn)時(shí)的內(nèi)部溫升,該模型為進(jìn)一步研究氣瓶火燒試驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)。中國航天科技集團(tuán)一院703所是以復(fù)合材料產(chǎn)品為主的單位,產(chǎn)品種類繁多,多為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件,在航天用復(fù)合材料氣瓶軍品領(lǐng)域也占有一席之地。中國航空科技集團(tuán)625所在復(fù)合材料氣瓶研制方面也積累了大量的經(jīng)驗(yàn),其纏繞技術(shù)也較為先進(jìn)。此外,清華大學(xué)、上交大、同濟(jì)大學(xué)、西工大、西交大、國防科大等高校也在復(fù)合材料壓力容器相關(guān)領(lǐng)域取得了一定的研究成果。2結(jié)合國外copv開發(fā)技術(shù)的研究，分析了中國copv在空間結(jié)構(gòu)中的發(fā)展趨勢(shì)2.1t100的強(qiáng)度選用高強(qiáng)纖維是提高COPV結(jié)構(gòu)效率的直接手段,目前空間COPV增強(qiáng)纖維主要選擇T1000碳纖維,一方面是因?yàn)門1000具有較高的強(qiáng)度和纖維強(qiáng)度發(fā)揮系數(shù);另一方面也是依據(jù)國內(nèi)外對(duì)T1000-COPV進(jìn)行了大量應(yīng)力斷裂壽命試驗(yàn)合格結(jié)果和大量T1000-COPV產(chǎn)品在軌服役可靠性驗(yàn)證的成功結(jié)果,對(duì)于未來可能出現(xiàn)的更高強(qiáng)纖維,對(duì)其纏繞COPV產(chǎn)品進(jìn)行相應(yīng)的性能試驗(yàn)、環(huán)境試驗(yàn)、應(yīng)力斷裂壽命試驗(yàn)是必要的,以考驗(yàn)其空間應(yīng)用的可行性。2.2超細(xì)金屬東南角旋壓復(fù)合材料體的應(yīng)用和發(fā)展在合理控制金屬內(nèi)襯應(yīng)力應(yīng)變水平和保證COPV強(qiáng)度和疲勞性能技術(shù)指標(biāo)前提下,內(nèi)襯壁厚的降低可有效提高空間COPV結(jié)構(gòu)效率,但超薄金屬內(nèi)襯的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用取決于超薄內(nèi)襯成型技術(shù)和纖維纏繞復(fù)合材料殼體成型技術(shù)。目前國際主流內(nèi)襯材料為鈦合金、不銹鋼、I-718合金和鋁合金,通過國外成熟超薄金屬內(nèi)襯的應(yīng)用和成型技術(shù)的分析,無論是機(jī)加、焊接金屬內(nèi)襯還是無縫旋壓金屬內(nèi)襯,在空間系統(tǒng)都具有較好的應(yīng)用前景,發(fā)展超薄內(nèi)襯殼體精密機(jī)加工技術(shù)和薄壁內(nèi)襯殼體焊接技術(shù),繼續(xù)深化超薄金屬內(nèi)襯旋壓技術(shù)研究是必要的。根據(jù)目前國內(nèi)外空間COPV的發(fā)展來說,金屬內(nèi)襯復(fù)合材料壓力容器是空間COPV發(fā)展的主流趨勢(shì)。2.3全復(fù)合壓力容器非金屬內(nèi)襯材料包括橡膠、高密度塑料等,國內(nèi)外通過大量的研究證實(shí)了全復(fù)合壓力容器具有諸多優(yōu)點(diǎn),如:(1)低成本內(nèi)襯成型技術(shù);(2)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì);(3)高結(jié)構(gòu)效率;(4)全復(fù)合壓力容器能夠滿足典型的空間和導(dǎo)彈應(yīng)用需求等。雖然ANSI/AIAA-S-081和ANSI/AIAA-S-081A只對(duì)金屬內(nèi)襯選材進(jìn)行了指導(dǎo),但是并不意味國內(nèi)直接效仿其標(biāo)準(zhǔn),目前國內(nèi)空間COPV的國家軍用標(biāo)準(zhǔn)還未出臺(tái),但是根據(jù)目前國內(nèi)空間COPV主要研制單位的非金屬內(nèi)襯COPV的研制能力和非金屬內(nèi)襯COPV在空間系統(tǒng)應(yīng)用的可靠性來看,代表了高結(jié)構(gòu)效率的非金屬內(nèi)襯也是COPV選材的對(duì)象之一,將其納入未來空間COPV的國家航天復(fù)合材料氣瓶軍用標(biāo)準(zhǔn)選材范圍也是合理、可行的。2.4雙組分纖維應(yīng)力對(duì)copv完善發(fā)展的重要意義在綜合分析國內(nèi)外空間應(yīng)用COPV的性能因子大量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,可知我國空間系統(tǒng)研制的COPV性能因子已十分接近進(jìn)國際先進(jìn)水平,性能因子是COPV結(jié)構(gòu)效率的體現(xiàn),代表COPV結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、內(nèi)襯及復(fù)合材料成型的技術(shù)水平,并不能代表COPV空間應(yīng)用的可靠性和安全性。根據(jù)ANSI/AIAA-S-081A標(biāo)準(zhǔn)可知,其規(guī)定COPV碳纖維應(yīng)力斷裂系數(shù)不小于1.5,COPV爆破系數(shù)也不小于1.5,但通過國外空間COPV實(shí)際爆破系數(shù)的調(diào)研來看,大多數(shù)COPV的ABF大于2。提高COPV最大承載能力有利于降低COPV工作即纖維應(yīng)力水平,纖維應(yīng)力又是決定COPV在軌服役壽命長(zhǎng)短和服役期間的可靠性的主要因素。綜上可知,發(fā)展高性能因子COPV勢(shì)在必行,而根據(jù)COPV服役壽命和可靠性要求,合理確定COPV的ABF也是至關(guān)重要的,合理借鑒ANSI/AIAA-S-081A標(biāo)準(zhǔn)和根據(jù)實(shí)際情況確定關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)是提高COPV性能和可靠性的有效途徑。2.5氣調(diào)與氣調(diào)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在軌飛行copv可靠性中的應(yīng)用和評(píng)價(jià)與其說空間COPV要求具有很高的可靠性和安全性,不如說空間系統(tǒng)實(shí)在經(jīng)受不起COPV爆破失效產(chǎn)生的災(zāi)難性危害。對(duì)于一般承載高壓氣態(tài)介質(zhì)和中等容積的COPV來說,爆破失效產(chǎn)生的沖擊力相當(dāng)于幾千克TNT的能量,這種情況對(duì)于我國發(fā)展載人航天和空間站技術(shù)是絕對(duì)不容許發(fā)生的,目前我國的天宮一號(hào)飛船和神八的成功對(duì)接,我國空間站技術(shù)取得了階段性勝利,也預(yù)示著航天器主機(jī)系統(tǒng)對(duì)空間COPV可靠性要求的大大提高,而空間COPV的型號(hào)產(chǎn)品沿用和繼承性設(shè)計(jì)是保證其可靠性的最有效途徑。通過對(duì)為NASA空間系統(tǒng)提供復(fù)合材料氣瓶的主要供應(yīng)商SCI復(fù)合材料公司和為NASA空間系統(tǒng)提供表面張力貯箱的主要供應(yīng)商ATK復(fù)合材料公司調(diào)研表明,用戶和承制單位在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面達(dá)成共識(shí)的最主要方面就是繼承性設(shè)計(jì),SCI和ATK在軌飛行COPV的豐富結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)是繼承性設(shè)計(jì)的主要參考數(shù)據(jù)。蘭州空間技術(shù)物理研究所一直致力于航天用復(fù)合材料氣瓶的研制,通過型號(hào)任務(wù)空間COPV的研制和大量空間COPV的預(yù)研研究,總結(jié)積累了大量的空間COPV結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、COPV成型技術(shù)經(jīng)驗(yàn)和在軌服役COPV的成功數(shù)據(jù)積累,注重繼承性設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用和高新技術(shù)的配合使用,目前所掌握的繼承性數(shù)據(jù)即可保證未來空間站用高可靠性COPV的研制,多個(gè)在軌服役COPV產(chǎn)品沿用也能保證未來空間領(lǐng)域發(fā)展的部分需求。2.6copv的ndi技術(shù)復(fù)合材料壓力容器強(qiáng)度受纏繞固化成型工藝影響較大,具有一定的離散性,針對(duì)碳纖維纏繞COPV受沖擊損傷導(dǎo)致的性能降級(jí)影響也比較大,而NDI技術(shù)是檢驗(yàn)空間COPV是否存在影響強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)缺陷和是否經(jīng)歷沖擊損傷影響的有效手段。盡管ANSI/AIAA-S-081A標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)規(guī)定了COPV纖維纏繞工藝控制和沖擊損傷控制,規(guī)定針對(duì)工藝和沖擊損傷控制需制定相應(yīng)的計(jì)劃方案,但是為了確保COPV具有足夠的可靠性,NASA約翰遜空間中心WSTF試驗(yàn)機(jī)構(gòu)還是大力發(fā)展COPV的NDI技術(shù),總結(jié)了COPV結(jié)構(gòu)缺陷與無損檢測(cè)結(jié)果之間的關(guān)系,共采用了16種NDI技術(shù),并將NDI技術(shù)應(yīng)用在沖擊損傷分析計(jì)劃中,作為空間COPV交付產(chǎn)品驗(yàn)收的判據(jù)之一。我國應(yīng)著力開展NDI技術(shù),制定空間COPV的NDI技術(shù)院所的專用技術(shù)指導(dǎo)文件或國家軍用標(biāo)準(zhǔn),對(duì)于COPV在軌服役期間可靠性提高具有重要意義。2.7國外經(jīng)驗(yàn)及研究進(jìn)展調(diào)研國外航天COPV研制技術(shù)發(fā)展趨勢(shì),結(jié)合我國的未來航天領(lǐng)域用COPV的發(fā)展需求,進(jìn)行空間COP