凯夫拉-49缠绕高压容器的可靠性研究计划

摘要

本文论述了军械研究与发展试验所和爱达荷核公司根据帕特里克空军No·FO-8606-84-C-0029合同实施的试验和分析方案。早期的论文阐述了最初的研究计划和结果。本文将讨论目前计划所做的工作及得到的结果。为保证论述内容的完整性,本文简短地回顾了早期的研究项目和结果。研究方案的目的是要说明如果金属衬套在工作压力下突然破裂,凯夫拉-49纤维缠绕的金属衬套预应力复合材料(prestressed composite,即PSC)贮箱贮存高压气体“自动保险”的详细情况。用试验和分析法研究金属衬套突然破裂的两种模式:衬套塑性裂纹的稳定增长(破裂前泄漏,LBB)和衬套脆性裂纹不稳定的增长/拉断破裂模式。方案中研究的PSC贮箱是凯夫拉-49缠绕的低温形成的301防腐蚀钢(CRES)的球形高压容器。挑选金属衬套的材料是比较容易的。此方案的目的就是要得到能将它用于任何金属衬套材料的结果。衬套破裂是被假设的,而且预估的破裂是根据计算机计算的贮箱动态响应和简单的一维模型计算作出的。一维模型的计算假设了有2％的凯夫拉-49纤维不能经受树脂的破坏应变。对直径为16in和22in的全尺寸、直径为11in的辅助尺寸的凯夫拉-49纤维缠绕的301低温形成的CRES衬套的球形高压容器进行了试验。同时也对直径为11in全金属的301低温CRES球形高压容器进行了试验。具有延性的、稳定的LBB衬套的破坏模式是通过试验研究的,其办法是在金属壁内放电加工出缺陷,然后对贮箱进行周期性增压,以使壁破裂,开始泄漏。更多的LBB数据是从单轴R-曲线断裂力学试验得到的,该试验可确定301低温形成的衬套材料的韧性参数。通过实验可以获得突然的、脆性的、不稳定裂纹增长的突然性断裂模式,其办法是用后来在加裁工作压力的持续时间内电池相互作用产生的氢气对它充气。试验结果用来改进模拟断裂模式的结构模型并且有助于实现计划目标,该计划目标就是要获得用于凯夫拉-49纤维缠绕的PSC高压容器“故障自动保险”设计的通用标准。迄今为止的试验和分析结果表明实现计划目标有极大的可能性。