CN102392934A - 复合材料压力容器及其组装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及复合材料压力容器及其组装方法。具体地，复合材料压力容器组装方法包括将管状构件的端部装入端盖中形成的环形狭槽中。密封剂可在环形狭槽中。端盖包括在端盖主体部的外表面中形成的环形槽。第一材料层形成在管状构件的外表面上。第一材料层包括第一复合材料，第一复合材料包括相对于管状构件圆周定向的纤维。第二材料层形成在第一材料层上，第二材料层的一部分置于环形槽中，第二材料层包括第二复合材料，第二复合材料包括相对于管状构件轴向定向的纤维。第三材料层形成在第二层附近且中环形槽中，第三材料层包括第三复合材料，第三复合材料包括相对于管状构件圆周定向的纤维。
Description
技术领域
本发明总体上涉及一种复合材料压力容器及其组装方法。
背景技术
压力容器(例如，气体储存容器和蓄液器)可以用于在压力下存储流体。希望能有一种具有相对薄的壁和轻的质量的压力容器。例如，在车辆燃料箱中，相对薄的壁允许更可用空间的更有效使用，相对轻的质量允许车辆以更大的能量效率运动。
发明内容
本文公开了一种组装方法。该方法包括将管状构件的端部装入端盖主体部边缘上形成的环形槽中。环形槽中可具有放置的密封剂。端盖进一步包括形成在主体部外表面上的环形槽。环形槽与边缘相对。该方法进一步包括在管状构件的环形外表面上形成第一材料层。第一材料层包括第一复合材料，第一复合材料包括纤维，该纤维向管状构件圆周定向。在第一材料层上形成第二材料层，第二材料层的一部分置于环形槽中。第二材料层包括第二复合材料，第二复合材料包括纤维，该纤维向管状构件轴向定向。邻近第二材料层且在环形槽中形成第三材料层。第三材料层包括第三复合材料，第三复合材料包括纤维，该纤维向管状构件圆周定向。
本发明还提供了以下方案：
1.一种用于组装复合材料压力容器的方法，包括：
将管状构件的端部装入在端盖主体部的边缘中形成的环形狭槽中，所述环形狭槽具有置于其中的密封剂，所述端盖进一步包括在主体部的外表面中形成的环形槽，所述环形槽与所述边缘相对；
在所述管状构件的环形外表面上形成第一材料层，该层包括第一复合材料，所述第一复合材料包括相对于所述管状构件圆周定向的纤维；
在所述第一材料层上形成第二材料层，所述第二材料层的一部分置于所述环形槽中，所述第二材料层包括第二复合材料，所述第二复合材料包括相对于所述管状构件轴向定向的纤维；和
邻近所述第二材料层且在所述环形槽中形成第三材料层，所述第三材料层包括第三复合材料，所述第三复合材料包括相对于所述管状构件圆周定向的纤维。
2.如方案1所述的组装方法，其中，所述第一材料层、第二材料层和第三材料层的成型是通过卷绕成型完成的。
3.如方案1所述的组装方法，其中，将所述管状构件的端部装入所述环形槽是通过压配合、螺纹连接、锻压、铆固或焊接完成的。
4.如方案1所述的组装方法，进一步包括：通过暴露于化学固化剂、暴露于固化压力、暴露于固化温度或它们的组合来固化所述密封剂。
5.如方案1所述的组装方法，其中，所述端盖的主体部具有倒圆顶形。
6.如方案1所述的组装方法，进一步包括：
在所述第二材料层的纤维片的边界切出狭缝以形成边缘突起；和
将所述纤维片的边缘突起基本上平滑地聚入所述环形槽中。
7.一种复合材料压力容器，包括：
端盖，其包括：
具有边缘的主体部；
在所述边缘中形成的环形狭槽；和
在所述主体部的外表面中形成的环形槽；
所述环形槽与所述边缘相对；
管状构件，其包括压配合到所述端盖的环形狭槽中的端部；
在所述管状构件的圆柱状外表面上形成的第一材料层，该层包括第一复合材料，所述第一复合材料包括相对于圆柱表面圆周定向的纤维；
在所述第一材料层上且在所述环形槽中形成的第二材料层，所述第二材料层包括第二复合材料，所述第二复合材料包括相对于所述管状构件轴向定向的纤维；和
在所述环形槽中邻近所述第二材料层形成的第三材料层，所述第三材料层包括第三复合材料，所述第三复合材料包括相对于所述管状构件圆周定向的纤维。
8.如方案7所述的复合材料压力容器，其中，所述第一材料层邻接所述端盖的主体部的边缘。
9.如方案7所述的复合材料压力容器，其中，所述端盖的主体部具有倒圆顶形。
10.如方案7所述的复合材料压力容器，其中，所述环形槽部分地由固定凸缘限定。
11.如方案7所述的复合材料压力容器，进一步包括置于所述环形槽中的密封剂，所述密封剂从弹性材料中选择。
12.如方案7所述的复合材料压力容器，其中，所述第一复合材料、第二复合材料和第三复合材料从包括接合剂的碳纤维或玻璃纤维中独立地选择。
13.如方案7所述的复合材料压力容器，其中，所述第一材料层具有的外径与所述端盖的主体部的外径基本上相同。
14.如方案7所述的复合材料压力容器，其中，所述管状构件是燃料箱的内衬。
15.一种用于组装复合材料压力容器的方法，包括：
将密封剂置于在端盖主体部的外表面中限定的多个环形狭槽的每一个中；
将所述端盖与管状构件的端部对齐，使得主体部的外表面邻接所述管状构件的内表面；和
向所述管状构件施加力，所述管状构件具有端盖，所述端盖与所述管状构件的端部对齐，在转动所述管状构件的同时施加所述力，所述力使所述管状构件变形，使得所述端部与在所述端盖的主体部中限定的多个槽相适应。
16.如方案15所述的方法，其中，施加所述力是通过向所述管状构件对成型轮施力来完成的，所述成型轮具有在其上形成的多个珠状物，所述多个珠状物构造成与所述端盖的主体部中限定的多个槽对齐。
17.如方案15所述的方法，其中，当施加所述力时，所述密封剂通过环形部分配，所述环形部形成在所述管状构件的内表面和所述端盖主体部的外表面之间。
18.如方案15所述的方法，进一步包括通过锁定环将所述端盖保持在所述管状构件的端部。
19.如方案15所述的方法，进一步包括固化所述密封剂。
20.如方案15所述的方法，进一步包括在所述管状构件的环形外表面上形成至少一个复合材料层，所述至少一个复合材料层包括碳纤维或玻璃纤维和接合剂。
附图说明
通过参考如下详细说明和附图，本发明实施例的特性以及优点将变清楚，其中相同附图标记表示相似但可能不完全相同的部件。为了简便起见，具有前述功能的特征的附图标记可能会或可能不会结合它们出现的其他附图进行描述。
图1是根据本发明的实施例的剖面分解图；
图2是图1中的部件组装之后的剖面图；
图3是图2中的组件应用了复合材料层的剖面图；
图4A是根据本发明的实施例的在边界中具有狭缝切口的卷绕的单片纤维的一部分的透视图；
图4B是图4A中卷绕的单片纤维的一部分的透视图，显示了根据本发明的实施例的平滑聚合的边缘突起；
图5是根据本发明的实施例的剖面分解图，显示了具有倒圆顶形的端盖的主体部；
图6是图5中的部件组装之后的剖面图；
图7是本发明另一个实施例的剖面分解图；
图8是显示了在转动管状构件时向管状构件施力的辊子的剖面图，该力使管状构件变形，使得端部与端盖主体部中限定的多个槽相适应；
图8A是图8中的8A区域的放大图，显示了密封剂；
图9是图7中的部件组装之后的剖面图；
图10是半透视示意图，显示了根据本发明的实施例的卷绕成型的复合材料层；
图11是显示了根据本发明的实施例的层的剖面透视图；以及
图12是显示了根据本发明的实施例的组装方法的流程图。
具体实施方式
此处公开的方法实施例可有利地用于组装复合材料压力容器。
定义：
本文所使用的，词语“单纤维”是指单根纤维。本文所使用的，可在线轴上卷绕的单根连续单纤维是“单纤维丝”。一束单纤维被称为“绳”或“梢(end)”。如果单纤维全部彼此平行，这个“梢”就被称为“粗纱”，而碳纤维粗纱也被称为“纤维束”。如果单纤维搓捻以将纤维保持在一起，这样的束称为“纱”。
粗纱(纤维束)或是纱可以被编织成织物。如果使用粗纱，这种织物被称为“方格布”；如果使用纱，这种织物被称为“布”。虽然术语“纱”和“粗纱”不可互换，但本文件中，在用到词语“纱”的地方，可以理解为“粗纱”同样可以适用。非纺织织物是织物状的材料，例如由长纤维制成、并且通过化学处理、机械处理、热处理、或者溶剂处理结合在一起的“毡”。
在织物卷绕中，“经纱”沿着卷绕的方向行进，并且在卷的整个长度内连续。“填纱”横向于卷绕方向。“经纱”通常被称为“梢”，而“填纱”被称为“纬纱”(这些术语同样适用于粗纱，但是为了简单起见，纱将被用于余下的讨论中)。
织物数目是指经纱(梢)以及纬纱(填纱)在每英寸的数目。例如，24x22的织物每英寸填纱方向上具有24个梢，在每英尺经纱方向具有22个填纱。注意经纱在填纱方向计数，填纱在经纱方向计数。
如果梢的数目与填纱的数目大致相等，这块织物被认为是“双向的”(BID)。如果填纱的数目非常小，大多数的纱在经纱方向行进，这块织物是几乎是单向的。一些单向布没有填纱；取而代之的是，经纱被一股稀薄的胶水保持在一起。“单向预浸材料”依赖于树脂来将纤维保持在一起。
“编织”描述了经纱和填纱是如何交织的。编织的例子为“平纹”、“斜纹“、“缎纹”和“玻璃布织纹”。编织决定了悬垂能力以及强度的均向性。
“复合材料”意为由两种或多种有着显著不同的物理或者化学性能的组分材料制成的工程材料，在产生的结构中，肉眼可见的水平上，它们仍然保持着分离和区别。有两类组分材料：基质材料以及加固材料。基质材料通过保持它们的相对位置来包围并支撑加固材料。加固材料影响着它们的特殊机械和物理性能以此来提高基质材料的性能。协同作用产生的材料的性能是单组分材料所不具备的。
加固式材料包含玻璃纤维，碳纤维，芳纶纤维及其类似物。
聚合物基质材料通常称为树脂溶液。最常见的已知聚合物基质材料是聚酯，乙烯酯，环氧树脂，酚醛树脂聚合物，聚酰亚胺，聚酰胺，聚丙烯，聚醚醚酮(PEEK)及其类似物。可以理解，这些聚合物的例子不是为了限制，在本发明的范围内其它材料也被构思。
现在参见图1和图12，此处公开的方法的实施例包括将管状构件60的端部58装入环形槽22中，环形槽22形成在端盖20的主体部56的边缘14上。环形槽22可与端部58尺寸互补从而形成轻度压配合。可以理解，此处用到的轻度压配合是一类约0.003英寸到约0.010英寸干涉所限定的配合。因此，轻度压配合是为后续工序保持管部60相对于端盖20的位置，但是其并未影响到圆柱压力安全容器10的整体压力储存容量。端盖20可能通过压合，螺纹，锻造，铆接，焊接或者粘结而被连接到管状构件60。环形槽22可具有置于其中的密封剂25。在一个实施例中，密封剂25可通过暴露于化学固化剂(未显示)，暴露于固化压力，暴露于固化温度，或者它们的组合来进行固化。可以理解，任何适合的化学固化剂可以被使用。适用于本发明实施例中的一些非限制性的固化剂的例子包括：空气；两部分粘合剂(其中一部分是环氧树脂，另一部分是硬化剂，硬化剂包含可以与环氧反应触发固化的自由基，这种反应往往通过加热被加速或触发)；过氧化物；铂、钯或铑的盐化物或其他化合；二月桂酸二丁基锡，辛酸亚锡；及其组合。
现在综合参考图1、2和3，端盖20可具有形成在主体部56的外表面54上的环形槽27。环形槽27与边缘14相对，环形槽的壁可以由保持凸缘26形成。第一材料层30可形成在管状构件60的环形外表面42上。第一材料层30包括第一复合材料44。第一复合材料44可包括向管状构件60圆周定向的纤维46，如图11所示。
单纤维丝可以绕管状构件60圆周缠绕。然而可以理解，第一复合材料44中的一些纤维可以定向在圆周以外的其他方向。例如，由纤维制成的纺织或非纺织织物可以卷绕在管状构件60上。织物中的经纱可圆周定向，而填纱可以横向于经纱定向。作为例子，具有圆周定向的经纱的布可用在本发明中。在另一个例子中，可以使用具有一些圆周方向定向的纤维的毡。在纺织和非纺织的织物中，有助于圆柱压力安全容器10的最终承压能力的圆周纤维的百分比占织物中纤维从约90％到约100％。
第一复合材料44中的加强纤维可包括碳纤维和玻璃纤维。第一复合材料44也可包括作为基质材料的接合剂。在例子中，基质材料可以是树脂(前面举出了一些例子，如，聚酯、聚丙烯等)。
重新参见图3，第一材料层30可具有的外径与端盖20的主体部的外径大体上相同。与本文所使用的，术语“大体上相同”的直径的意思是跨第一材料层30和端盖20之间结合放置的第二材料层40将不会有由于第二材料层40放置处的直径变化的步骤而引起的结。
第二材料层40可形成在第一材料层30上，第二材料层40的一部分置于环形槽27中。第二材料层40可包括具有轴向纤维的第二复合材料48(如图11所示)，轴向纤维沿管状构件60轴向定向。轴向纤维可占形成第二材料层40的织物中的纤维的约75％到约100％。
第三材料层50可形成在环形槽27中并邻近第二材料层40。第三材料层50可包括第三复合材料52。第三材料层50中的纤维沿管状构件60圆周定向。在非限制性的例子中，粗纱或麻可在环形槽27处绕在第二材料层40上，从而形成第三材料层50。在另一个例子中，具有90％到100％周向纤维的布条可在环形槽27处环绕在第二材料层40上，从而形成第三材料层50。
第一材料层30、第二材料层40和第三材料层可按照图10示意性所示的方式卷绕成型。在这使用的“卷绕成型”是这样一个过程：通过圆柱安全容器组件10相对于加强纤维织物62的辊子64的相对转动，一层加强纤维织物62从加强纤维织物辊子64传送到圆柱安全容器组件10。例如，圆柱安全容器组件10可绕锭子66转动，加强纤维织物62可从加强纤维织物辊子64中转出。在另一个例子中，圆柱安全容器10可保持固定，而加强纤维织物辊子64绕圆柱安全容器10缠绕。在另外的例子中，圆柱安全容器10可沿邻近加强纤维织物62的辊子64的表面(未显示)卷绕，这样加强纤维织物62从加强纤维织物62的辊子64上卷出并到圆柱安全容器10上。从而，加强纤维织物62绕圆柱安全容器10缠绕一层或多层。
现在参见图5和6，端盖20’的主体部56可具有倒圆顶形。在这里使用的倒圆顶形是指具有与负载相对定向的截面拱形的凹面的圆顶形。在例子中，负载可以是容器上的压力。如图6所示，圆柱安全容器10中所装的流体94会润湿倒圆顶66的受压表面16，不受压表面18与倒圆顶66的受压表面16相对。
如图4A最佳所示，组装方法可包括将第二材料层40的纤维片38的边界41切出狭缝34，以形成边缘突起36。边缘突起36可大体上平滑地聚入环形槽27中。在这里使用“大体上平滑”意思是一般不会出现褶皱，但是会出现与如果在纤维片38的边界41中没有狭缝34将产生的褶皱量相比可忽略的少量褶皱。
圆柱安全容器组件10可用来装加压流体94。可以理解，圆柱安全容器组件10中所装的流体可以是液体、气体、混合物、溶液和他们的组合。与圆柱安全容器组件10中流体接触的材料可选择与流体化学相容。在例子中，圆柱安全容器组件10可以是一个燃料箱，管状构件60可以是燃料箱的内衬。
现在参见图7、8、8A和9，密封剂25’放置在端盖20”主体部56外表面54中限定的多个环形槽74的每一个中。端盖20”与管状构件60’的端部58对齐，这样主体部56的外表面54邻接管状构件60’的内表面76。可以施加力F使管状构件60’变形，这样管状构件60’的端部58具有相应环形凹部88，以与端盖20”的主体部56中限定的多个环形槽74相配合。可以理解，相应环形凹部88可密封地邻接多个环形槽74，或者环形部78可以保持在管状构件60’的内表面76和端盖20”的主体部56的外表面54之间。
进而可以理解，力F可以由卷边、锻压或其他类似方式提供，这样管状构件60’如上所述变形。工具68可与管状构件60’的端部58有滚动接触、滑动接触、非滑动接触、或者它们的组合。在非限制性的例子中，力F通过绕端盖20”转动工具68而被施加。在另一个例子中，工具68可绕固定转动轴线92旋转。另外，力F可在转动管状构件60’的同时施加给管状构件60’。
在例子中，可以通过向管状构件60’对成型轮70施力来施加力F，成型轮70具有形成在其上的多个珠状物72，如图8所示。多个珠状物72可构造成与端盖20”的主体部56中限定的多个环形槽74对齐。
在施加力F时，密封剂25’可以通过形成在管状构件60’的内表面76和端盖20”的主体部56的外表面54之间的环形部78分配。
端盖20”可以利用锁定环80保持在管状构件60’的端部56。锁定环80大体上防止管状构件60’的端部58在圆柱安全容器10’的压力导致的作用力下扭曲。锁定环80可为由螺纹紧固件84拉在一起的两个半部82，如图7示意性所示。可以理解，锁定环80可以通过多于一个紧固件，互锁块、或者其他类似方式保持固定就位。单片锁定环(未显示)可以被压入到位。锁定环80可具有与管60’中的环形凹部88相适应的环形表面86。
密封剂25’可以通过暴露在化学固化剂、暴露在固化压力下、暴露在固化温度下，或者它们的组合而固化。可以理解，前面所列的任何固化剂都适用于本例。
如图9所示，圆柱安全容器的另一个实施例标记为10’。至少一个复合材料层90可形成在管状构件60’的环形外表面42上。复合材料层90可包括玻璃或碳纤维和接合剂。
虽然详细说明了几个实施例，但对于本领域技术人员而言，显然公开的实施例是可以修改的。因此，前面的描述只是示例而不是限制。
Claims (10)
1.一种用于组装复合材料压力容器的方法，包括：
将管状构件的端部装入在端盖主体部的边缘中形成的环形狭槽中，所述环形狭槽具有置于其中的密封剂，所述端盖进一步包括在主体部的外表面中形成的环形槽，所述环形槽与所述边缘相对；
在所述管状构件的环形外表面上形成第一材料层，该层包括第一复合材料，所述第一复合材料包括相对于所述管状构件圆周定向的纤维；
在所述第一材料层上形成第二材料层，所述第二材料层的一部分置于所述环形槽中，所述第二材料层包括第二复合材料，所述第二复合材料包括相对于所述管状构件轴向定向的纤维；和
邻近所述第二材料层且在所述环形槽中形成第三材料层，所述第三材料层包括第三复合材料，所述第三复合材料包括相对于所述管状构件圆周定向的纤维。
2.如权利要求1所述的组装方法，其中，所述第一材料层、第二材料层和第三材料层的成型是通过卷绕成型完成的。
3.如权利要求1所述的组装方法，其中，将所述管状构件的端部装入所述环形槽是通过压配合、螺纹连接、锻压、铆固或焊接完成的。
4.如权利要求1所述的组装方法，进一步包括：通过暴露于化学固化剂、暴露于固化压力、暴露于固化温度或它们的组合来固化所述密封剂。
5.如权利要求1所述的组装方法，其中，所述端盖的主体部具有倒圆顶形。
6.如权利要求1所述的组装方法，进一步包括：
在所述第二材料层的纤维片的边界切出狭缝以形成边缘突起；和
将所述纤维片的边缘突起基本上平滑地聚入所述环形槽中。
7.一种复合材料压力容器，包括：
端盖，其包括：
具有边缘的主体部；
在所述边缘中形成的环形狭槽；和
在所述主体部的外表面中形成的环形槽；
所述环形槽与所述边缘相对；
管状构件，其包括压配合到所述端盖的环形狭槽中的端部；
在所述管状构件的圆柱状外表面上形成的第一材料层，该层包括第一复合材料，所述第一复合材料包括相对于圆柱表面圆周定向的纤维；
在所述第一材料层上且在所述环形槽中形成的第二材料层，所述第二材料层包括第二复合材料，所述第二复合材料包括相对于所述管状构件轴向定向的纤维；和
在所述环形槽中邻近所述第二材料层形成的第三材料层，所述第三材料层包括第三复合材料，所述第三复合材料包括相对于所述管状构件圆周定向的纤维。
8.如权利要求7所述的复合材料压力容器，其中，所述第一材料层邻接所述端盖的主体部的边缘。
9.如权利要求7所述的复合材料压力容器，其中，所述端盖的主体部具有倒圆顶形。
10.一种用于组装复合材料压力容器的方法，包括：
将密封剂置于在端盖主体部的外表面中限定的多个环形狭槽的每一个中；
将所述端盖与管状构件的端部对齐，使得主体部的外表面邻接所述管状构件的内表面；和
向所述管状构件施加力，所述管状构件具有端盖，所述端盖与所述管状构件的端部对齐，在转动所述管状构件的同时施加所述力，所述力使所述管状构件变形，使得所述端部与在所述端盖的主体部中限定的多个槽相适应。
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