CN101451648B - 纤维缠绕承压设备预紧制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种纤维缠绕承压设备预紧制造方法，该方法包括下列步骤：步骤A：变化金属内胆的温度，使其温度偏离设定温度，该金属内胆由于温度的变化而产生变形；步骤B：在该金属内胆的变形状态下对该金属内胆进行缠绕，形成缠绕层；步骤C：将该金属内胆的温度恢复为设定温度。本发明利用金属内胆与缠绕纤维的膨胀性能的显著差异，通过金属内胆与缠绕纤维层的协调变形使金属内胆产生压应力，以此形成预紧状态。因此，本发明无需在缠绕过程中对纤维带之类的缠绕层施加拉力，也无需在缠绕后对金属内胆进行内压预紧处理，降低了对缠绕设备刚度的要求，简化了预应力自增强纤维缠绕承压设备的制造工艺，提高了产品自增强效果的稳定性。
Description
技术领域
本发明是有关于一种纤维缠绕承压设备预紧制造方法。
背景技术
复合材料增强气瓶包括金属内胆和缠绕在该金属内胆外的缠绕层。该缠绕层可以采用玻璃纤维、碳纤维、树脂等材料，其承担气瓶内气体介质的压力。该金属内胆为钢、铝合金等金属材料，主要起密封作用，同时也承担一定的内压载荷。气瓶缠绕完成后，要进行预紧，目的是使气瓶内外层紧贴在一起，并使金属内胆承受一定的压应力，改善金属的受力状态。
气瓶现有的预紧方法主要有两种，第一种是内压自增强预紧方法，第二种是带预紧力缠绕方法。
内压自增强预紧方法，是在气瓶完成缠绕后，对气瓶施加一个较大的压力，使金属内胆发生塑性变形，但由于外层的增强材料强度较高还保持弹性状态，卸压后，弹性外层要恢复原来的形状，而内层金属材料已屈服，无法回缩变形，此时，金属内胆被缠绕层紧紧“箍住”，从而达到预紧的目的。所述的内压自增强预紧方法，需要对所施加的自增强压力的准确性要求较高，由于金属内胆壁厚的不均匀性、材料性能的不均匀性，很难保证产品个体内的预紧效果的均匀性，以及批量生产的产品质量的稳定性。并且，目前对气瓶的承载能力要求越来越高，对于工作压力较高的气瓶，所需的预紧压力则更高，在预紧工艺的实现及预紧压力的控制上难度也就越大。
带预紧力缠绕方法，是在对金属内胆进行复合增强材料缠绕过程中，始终保持纤维带处于拉紧状态，相当于将金属内胆“勒紧”，以达到预紧的目的。显然，所述的带预紧力缠绕方法对缠绕设备要求较高，一方面要求设备抗弯、扭的能力较高，另一方面又要求纤维的拉紧力在缠绕过程中保持稳定。另外，此种方法产生的预紧效果有限，往往需要与上述内压自增强方法联合使用。
发明内容
本发明的目的是，提供一种纤维缠绕承压设备预紧制造方法，其是利用金属内胆、缠绕层两者的热膨胀性能的差异，在缠绕过程中控制金属内胆的温度，使得缠绕完成后的气瓶在正常工作温度下，因不均匀热胀冷缩而产生预紧。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是，一种纤维缠绕承压设备预紧制造方法，该方法包括下列步骤：步骤A：变化金属内胆的温度，使其温度偏离设定温度，该金属内胆由于温度的变化而产生变形；步骤B：在该金属内胆的变形状态下对该金属内胆进行缠绕，形成缠绕层；步骤C：将该金属内胆的温度恢复为设定温度。
在本发明的优选实施方式中，所述步骤A包括：当所述缠绕层的热膨胀系数低于所述金属内胆时，将该金属内胆的温度降低。
在本发明的优选实施方式中，所述步骤A包括：当所述缠绕层的热膨胀系数高于所述金属内胆时，将该金属内胆的温度升高。
在本发明的优选实施方式中，所述步骤A还包括：在所述金属内胆的温度变化而偏离该设定温度后，将该金属内胆变化后的温度保持在稳定状态。
在本发明的优选实施方式中，所述设定温度为0℃至50℃。
在本发明的优选实施方式中，所述金属内胆降低后的温度为-196℃至-10℃。
在本发明的优选实施方式中，所述金属内胆升高后的温度为60℃至200℃。
在本发明的优选实施方式中，所述纤维缠绕承压设备为气瓶。
在本发明的优选实施方式中，所述金属内胆为铝合金或钢。
在本发明的优选实施方式中，所述缠绕层为纤维层，所述纤维层的材料为玻璃纤维与树脂的混合物，或碳纤维与树脂的混合物。
因此，本发明提出的温差预紧制造方法的特点及优点是：
1、其是利用金属内胆、纤维增强外层(缠绕层)两者的热膨胀性能的差异，在缠绕过程中控制金属内胆的温度，使得缠绕完成后的气瓶在正常工作温度下，因不均匀热胀冷缩而产生预紧。
2、其无需在缠绕过程中对纤维带之类的缠绕层施加拉力，也无需在缠绕后对金属内胆进行内压预紧处理，降低了对缠绕设备刚度的要求，简化了预应力自增强纤维缠绕承压设备的制造工艺，提高了产品自增强效果的稳定性。
3、其可有效保证批量生产的产品质量的稳定性。由于同一牌号，但不同厂家、不同炉号、不同批号、不同批次的热处理的材料的屈服强度、抗拉强度、延伸率等机械性能指标的分散性较大，但材料的热膨胀系数相对稳定；对于纤维增强材料也是如此，物性参量的稳定性远高于机械性能的稳定，所以，温差预紧可解决因材料性能的分散性导致的产品质量稳定性的问题。
4、其可以改善内压自增强预紧方法的效果不均匀、难以精确控制的缺点，热胀冷缩是物质的基本性质，与结构的壁厚、直径、形状无关，只要温度降低(或升高)，结构就会产生均匀的收缩(或膨胀)，最终形成预期的均匀的预紧效果。
5、其无需施加机械载荷，尤其适用于生产高规格(高压、高强钢、厚壁)复合材料增强气瓶。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现说明本发明的具体实施方式。
本发明提出的纤维缠绕承压设备预紧制造方法是利用金属内胆、纤维增强外层(缠绕层)两者的热膨胀性能的差异，在缠绕过程中控制金属内胆的温度，使得缠绕完成后的气瓶在正常工作温度下，因不均匀热胀冷缩而产生预紧。
具体而言，本发明提出的纤维缠绕承压设备预紧制造方法包括下列步骤：
步骤A：变化金属内胆的温度，使其温度偏离设定温度，该金属内胆由于温度的变化而产生变形；
步骤B：在该金属内胆的变形状态下对该金属内胆进行缠绕，形成缠绕层；
步骤C：将该金属内胆的温度恢复为设定温度。
其中，“变化金属内胆的温度”包括对金属内胆进行升温或降温处理，当缠绕纤维的热膨胀系数高于金属内胆时，一般采用升温处理；当缠绕纤维的热膨胀系数低于金属内胆时，一般采用降温处理。下面以两种实施方式分别对降温和升温处理的两种情况进行说明。
实施方式1
在本实施方式中，所述预紧制造方法的具体过程如下：
将金属内胆的温度降低，使其温度低于设定温度，该金属内胆由于温度的降低而收缩变形；所述设定温度可以是常温，一般为0℃至50℃，该金属内胆降低后的温度(低温)可为-196℃至-10℃，而且最好是-40℃；其中，将该金属内胆降温处理后，可将该金属内胆保持在稳定的低温状态；
接着，在上述金属内胆的收缩状态下对其进行缠绕，在金属内胆外形成缠绕层，所述缠绕层可为纤维层，而所述纤维层的材料可为碳纤维与树脂的混合物；较佳地，是在上述稳定的低温的环境下对上述金属内胆进行缠绕；
之后，将该金属内胆的温度恢复为设定温度(常温)，该金属内胆与缠绕层均进行热膨胀，但外侧的缠绕层的膨胀量较小，使金属内胆无法充分膨胀，从而形成预紧状态。
其中，所述的纤维缠绕承压设备是气瓶(例如是设计压力47MPa的压缩天然气气瓶)或是其它合适的设备；金属内胆可为铝合金或钢等金属材料，且缠绕纤维的热膨胀系数低于金属内胆。
实施方式2
在本实施方式中，所述预紧制造方法的具体过程如下：
将金属内胆的温度升高，使其温度高于设定温度，该金属内胆由于温度的升高而膨胀变形；所述设定温度同样可以是常温，一般为0℃至50℃，该金属内胆升高后的温度(高温)可为60℃至200℃，且最好是150℃；其中，在该金属内胆升温处理后，可将该金属内胆保持在稳定的高温状态下；
接着，在上述金属内胆的膨胀状态下对其进行缠绕，在金属内胆外形成缠绕层，所述缠绕层为玻璃纤维与树脂的混合物，较佳地，是在上述稳定的高温的环境下对上述金属内胆进行缠绕；
之后，将该金属内胆的温度恢复为设定温度，该金属内胆与缠绕层均进行冷收缩，但外侧的缠绕层的收缩量较大，从而使金属内胆形成预紧状态。
本实施方式中的纤维缠绕承压设备可例如是设计压力25MPa的压缩天然气气瓶。
本实施方式中是充分利用金属内胆与缠绕纤维的膨胀性能的显著差异，通过金属内胆与缠绕纤维层的协调变形使金属内胆产生压应力，以此形成预紧状态。
进一步而言，上述金属内胆遇热进行了热膨胀，在金属内胆的热膨胀状态下，缠绕纤维对金属内胆进行缠绕，此时缠绕纤维遇到金属内胆的高温外表面，也同样进行热膨胀，当缠绕纤维缠绕金属内胆后，恢复设定温度，金属内胆与缠绕纤维同样进行冷收缩，而由于缠绕纤维的热膨胀系数高于金属内胆，使得金属内胆最终形成预紧状态。
本实施方式的其他结构、工作原理和有益效果与实施方式1的相同，在此不再赘述。
以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。
Claims (10)
1. 一种纤维缠绕承压设备预紧制造方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
步骤A：变化金属内胆的温度，使其温度偏离设定温度，该金属内胆由于温度的变化而产生变形；
步骤B：在该金属内胆的变形状态下对该金属内胆进行缠绕，形成缠绕层；
步骤C：将该金属内胆的温度恢复为设定温度。
2. 如权利要求1所述的纤维缠绕承压设备预紧制造方法，其特征在于，所述步骤A包括：当所述缠绕层的热膨胀系数低于所述金属内胆时，将该金属内胆的温度降低。
3. 如权利要求1所述的纤维缠绕承压设备预紧制造方法，其特征在于，所述步骤A包括：当所述缠绕层的热膨胀系数高于所述金属内胆时，将该金属内胆的温度升高。
4. 如权利要求1所述的纤维缠绕承压设备预紧制造方法，其特征在于：所述步骤A还包括：在所述金属内胆的温度变化而偏离该设定温度后，将该金属内胆变化后的温度保持在稳定状态。
5. 如权利要求1-4任一项所述的纤维缠绕承压设备预紧制造方法，其特征在于：所述设定温度为0℃至50℃。
6. 如权利要求2所述的纤维缠绕承压设备预紧制造方法，其特征在于：所述金属内胆降低后的温度为-196℃至-10℃。
7. 如权利要求3所述的纤维缠绕承压设备预紧制造方法，其特征在于：所述金属内胆升高后的温度为60℃至200℃。
8. 如权利要求1-4任一项所述的纤维缠绕承压设备预紧制造方法，其特征在于：所述纤维缠绕承压设备为气瓶。
9. 如权利要求1-4任一项所述的纤维缠绕承压设备预紧制造方法，其特征在于：所述金属内胆为铝合金或钢。
10. 如权利要求1所述的纤维缠绕承压设备预紧制造方法，其特征在于：所述缠绕层为纤维层，所述纤维层的材料为玻璃纤维与树脂的混合物，或碳纤维与树脂的混合物。
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