CN103016950B - 一种复合材料压力容器的制造方法 - Google Patents

Abstract

一种复合材料压力容器的制造方法，涉及复合材料压力容器的制造方法。它包括以下步骤：步骤1、将冲压和保压工装与内衬连接，在内衬中冲入一定压力的空气使内衬膨胀变形，充气后金属内衬的内压通过公式计算确定；步骤2、内衬呈保压状态进行纤维复合材料的缠绕加工；步骤3、缠绕结束后移入固化炉，进行旋转加热固化；步骤4、固化结束并自然冷却后，缓慢放出内部空气卸除压力，使内衬的弹性收缩与缠绕时的压应力及复合材料的固化收缩相抵消，并与复合材料层间发生剥落分离。本发明能够降低自紧过程中所需的内应力，减少复合材料层的膨胀变形率，从而降低复合材料层的纤维断裂率，保证复合材料较高的总体性能。

Description

一种复合材料压力容器的制造方法

技术领域

本发明涉及复合材料压力容器的制造方法，特别是涉及碳纤维全缠绕金属内衬压力容器的一种制造方法。

背景技术

在国内的复合材料压力容器制造领域，与本发明相关的专利有：浙江大学郑传祥、曹堃等发明的03150968.1“复合材料压力容器”；西安航天复合材料研究所吴大云、张阳等发明的201010615932.9“一种用于压力容器的干纱缠绕成型方法”；哈尔滨工业大学赫晓东、王荣国等发明的200510010151.6“大尺寸、超薄金属内衬的复合材料压力容器及其制造方法”；中材科技（苏州）有限公司吴峰、肖文刚等发明的2010102100951.1“一种使用大丝束碳纤维制造压力容器的方法”等。这些专利均提出运用复合材料和金属内衬结合制造压力容器，其共同目的是为减轻结构重量，所采用的技术措施大多为纤维全缠绕金属内衬，后经加热固化得到。其积极效果是获得了显著的容重比。但复合材料和金属为两种物理性质差异显著的材料，为最大发挥复合材料的承压性能，提高气瓶的使用寿命，在制造过程中往往存在自紧这一重要的工艺过程，上述发明均采用内衬表面直接缠绕纤维复合材料后固化、自紧的传统方法。

其表现出来的主要缺点是纤维缠绕过程预设的张力和复合材料固化后的收缩，使得金属内衬在自紧过程中需要较大的压应力才能达到预定的塑性变形，这就造成复合材料层在自紧过程中也发生较大的膨胀变形，从而使纤维断裂加剧，降低了复合材料的总体性能。

发明内容

本发明的目的在于降低自紧过程中所需的内应力，减少复合材料层的膨胀变形率，从而降低复合材料层的纤维断裂率，保证复合材料较高的总体性能。

纤维缠绕复合材料压力容器，它由金属内衬和复合材料层构成。内衬可以为钢或铝合金材料。内衬可以为柱形、球形与环形状。所述复合材料层由纤维与树脂构成。其中，纤维材料为碳纤维、玻璃纤维或硼纤维中的一种；树脂为环氧树脂、酚醛树脂或聚氨酯树脂中的一种。纤维复合材料在内衬表面上纵向与环向交替多层缠绕形成，即全缠绕方式。

一种复合材料压力容器的制造方法，其特征在于：它包括以下步骤：

步骤1、将内衬冲压和保压工装与内衬连接，在内衬中冲入一定压力的空气使内衬膨胀变形，充气后金属内衬的内压P₀通过以下公式计算确定：

对于柱形压力容器，通过公式（1）至（4）计算；对于环形压力容器，几何上可看作圆环形截面绕一固定轴旋转一周得到，计算公式与柱形压力容器相同，即通过公式（1）至（4）计算；

ε_j=（¹ _. ¹～¹ _. ²）×ε_f    （₁）

${\mathrm{\σ}}_H=\frac{P_0\·R}{t}---\left(2\right)$

${\mathrm{\σ}}_z=\frac{P_0\·R^2}{t^2+2R\·t}---\left(3\right)$

${\mathrm{\ϵ}}_j=\frac{1}{E}({\mathrm{\σ}}_H+\mathrm{\μ}({\mathrm{\σ}}_z+{\mathrm{\σ}}_J))---\left(4\right)$

其中ε_j为金属内衬发生最大弹性变形方向的变形率，

ε_f为复合材料的固化收缩率，

P₀为充气后金属内衬的内压，

R为金属内衬的内腔半径，

t为金属内衬的内腔壁厚，

σ_H为柱形压力容器金属内衬的环向应力，或环形压力容器圆环形截面上任一表面点处的切线方向，

σ_Z为柱形压力容器金属内衬的轴向应力，或环形压力容器圆环形截面上任一表面点处的旋转方向，

σ_J为金属内衬的径向应力，对于压力容器σ_J=0，

μ为泊松比，

E为弹性模量；

对于球形压力容器，通过公式（5）至（7）计算：

ε_j=（¹ _. ¹～¹ _. ²）×ε_f    （₅）

${\mathrm{\σ}}_H={\mathrm{\σ}}_z=\frac{P_0\·R^2}{t^2+2R\·t}---\left(6\right)$

${\mathrm{\ϵ}}_j=\frac{1+\mathrm{\μ}}{E}\·{\mathrm{\σ}}_H---\left(7\right)$

其中ε_j为金属内衬发生最大弹性变形方向的变形率，

ε_f为复合材料的固化收缩率，

P₀为充气后金属内衬的内压，

R为金属内衬的内腔半径，

t为金属内衬的内腔壁厚，

σ_H为金属内衬的环向应力，

σ_Z为金属内衬的轴向应力，

σ_J为金属内衬的径向应力，对于压力容器σ_J=0，

μ为泊松比，

E为弹性模量；

步骤2、内衬呈保压状态进行纤维复合材料的缠绕加工；

步骤3、缠绕结束后移入固化炉，进行旋转加热固化；

步骤4、固化结束并自然冷却后，缓慢放出内部空气卸除压力，使内衬的弹性收缩与缠绕时的压应力及复合材料的固化收缩相抵消，并与复合材料层间发生剥落分离。

本发明与背景技术相比，其有益效果主要表现为以下几点：

1.显著降低了压力容器的自紧压力，使之很好地满足相关标准要求。一般来说，工作压力与最低设计爆破压力的比值为1:2.35，而自紧压力为最低爆破压力的85%。实施这一工艺方法后，由于金属内衬与复合材料层之间存在一定的剥离间隙，使得自紧时复合材料层的变形率小于金属内衬达到预定塑性形变的变形率。起主要承载作用的复合材料变形率减小后，就决定了自紧压力的减少，进而能更好地满足设计爆破压力和预定工作压力，相比前人未实施这一工艺的传统方法，就更有利于设计过程的顺利实施。

2.显著降低了复合材料中纤维的断裂率，使其力学性能保持稳定。自紧过程中，随着压力的升高，容器整体膨胀变形。此时，纵向与横向的纤维被迫拉伸变长，必将出现局部位置的应力集中和纤维断裂。而实施这一工艺方法后，金属内衬与复合材料层之间存在一定的剥离间隙，使得自紧时复合材料层的变形率减小，即总体变形也减小，纤维断裂率也随之降低，进而保证了复合材料在工作过程中的承载强度。

3.提高了自紧过程中金属内衬和复合材料层的变形协调性。自紧过程中内衬和复合材料层的应变一般达到1.2～1.5%。其中金属内衬将越过弹性变形达到一定的塑性变形，属于大变形形式，而复合材料层始终为弹性变形。泄压后整体收缩，两者的不同变形形式将导致接触表面产生微小的滑移，而此预冲压技术使两者剥落分离，因而自紧时的变形将更为平顺快速，两者之间的应力和应变也更为均匀。

附图说明

附图是为实施本发明技术而设计的工装示意图；

图中标号名称：1空气压力表、2工装冲压和测压连接段、3阀门、4气瓶连接与旋转固化支撑段、5气瓶、6气瓶连接与传动段、7冲压连接软管。

具体实施方式

附图中所有零件以螺纹连接并密封。其中连接段2顶端留有锥形不通孔，用于缠绕加工中与缠绕机尾顶接触固定；连接段4与气瓶5连接，直径较大部分用于旋转固化时起支撑作用；连接段6与气瓶另一端连接，缠绕加工时由缠绕机卡爪固定传动，缠绕结束后T型槽与固化炉主动轴卡接，带动气瓶旋转固化。

实施例一：

以20MPA铝内衬碳纤维全缠绕高压气瓶为例，其中铝内衬材料为6061铝合金、形状为柱形，容量分别为120L、110L和80升等三种规格。内衬按预定的方案进行热处理后，测得泊松比μ＝0.32，弹性模量E=70.25GPa。

统一取壁厚t=4.5mm，内径R=167mm。经测算，含胶量为25%的复合材料（碳纤维+环氧树脂）的固化收缩率接近0.18%，并考虑纤维缠绕张力，取（3）式中的应变ε=0.2%。结合（1）式与（2）式求解，可得缠绕加工前应向铝内衬中预冲空气至2.535MPa,实际可取P₀=2.54MPa。在内衬完成机械加工工序后，将附图中的工装1、2、3、4、7等按图示联接成整体，并与内衬的一端联接，同样工装6与另一端联接。软管7与空压机联接并缓慢冲压至2.54MPa，关闭阀门保压，卸去空气压力表1与软管7后，移至缠绕机进行印胶式纤维缠绕。结束后移至固化炉，工装6与固化炉工装卡接，旋转固化成型后移出，打开阀门放出瓶内空气泄压，最后卸去附图中所有工装。完成上述步骤后进行水压气密性试验，检验合格的气瓶进行自紧操作，加压至42MPa并保压2分钟，卸除压力完成操作。相比未作冲压操作的同等气瓶，需加压至44兆帕才能满足要求，期间的变形率也将导致纤维的断裂加剧，影响产品的工作性能。

实施例二：

以35MPA铝内衬碳纤维全缠绕高压气瓶为例，容量为110L，6061铝合金的柱形结构。取壁厚t=5.0mm，内径R=154mm。同样，采用相同的铝合金热处理制度，复合材料含胶量仍取25%，固化收缩率也为0.18%，实际取（3）式中的应变ε=0.2%。同样的公式求解后，可得缠绕加工前应向铝内胆中预冲空气至3.179MPa,实际可取P₀=3.18MPa。在完成预定的缠绕、固化工序后，同样进行自紧操作。相比未作冲压操作的同等气瓶，降低了3MPA的自紧压力。

Claims (1)

1.一种复合材料压力容器的制造方法，其特征在于：它包括以下步骤：

步骤1、将冲压和保压工装与内衬连接，在内衬中冲入一定压力的空气使内衬膨胀变形，充气后金属内衬的内压P₀通过以下公式计算确定：

对于柱形压力容器，通过公式（1）至（4）计算；对于环形压力容器，几何上可看作圆环形截面绕一固定轴旋转一周得到，计算公式与柱形压力容器相同，即通过公式（1）至（4）计算；

${\mathrm{\ϵ}}_j=(1.1~1.2)\×{\mathrm{\ϵ}}_f---\left(1\right)$

${\mathrm{\σ}}_H=\frac{P_0\·R}{t}---\left(2\right)$

${\mathrm{\σ}}_Z=\frac{P_0\·R^2}{t^2+2R\·t}---\left(3\right)$

${\mathrm{\ϵ}}_j=\frac{1}{E}({\mathrm{\σ}}_H+\mathrm{\μ}({\mathrm{\σ}}_z+{\mathrm{\σ}}_J))---\left(4\right)$

其中ε_j为金属内衬发生最大弹性变形方向的变形率，

ε_f为复合材料的固化收缩率，

P₀为充气后金属内衬的内压，

R为金属内衬的内腔半径，

t为金属内衬的内腔壁厚，

σ_H为柱形压力容器金属内衬的环向应力，或环形压力容器圆环形截面上任一表面点处的切线方向，

σ_Z为柱形压力容器金属内衬的轴向应力，或环形压力容器圆环形截面上任一表面点处的旋转方向，

σ_J为金属内衬的径向应力，对于压力容器σ_J=0，

μ为泊松比，

E为弹性模量；

对于球形压力容器，通过公式（5）至（7）计算：

${\mathrm{\ϵ}}_j=(1.1~1.2)\×{\mathrm{\ϵ}}_f---\left(5\right)$

${\mathrm{\σ}}_H={\mathrm{\σ}}_Z=\frac{P_0\·R^2}{t^2+2R\·t}---\left(6\right)$

${\mathrm{\ϵ}}_j=\frac{1+\mathrm{\μ}}{E}\·{\mathrm{\σ}}_H---\left(7\right)$

其中ε_j为金属内衬发生最大弹性变形方向的变形率，

ε_f为复合材料的固化收缩率，

P₀为充气后金属内衬的内压，

R为金属内衬的内腔半径，

t为金属内衬的内腔壁厚，

σ_H为金属内衬的环向应力，

σ_Z为金属内衬的轴向应力，

σ_J为金属内衬的径向应力，对于压力容器σ_J=0，

μ为泊松比，

E为弹性模量；

步骤2、内衬呈保压状态进行纤维复合材料的缠绕加工；

步骤3、缠绕结束后移入固化炉，进行旋转加热固化；

步骤4、固化结束并自然冷却后，缓慢放出内部空气卸除压力，使内衬的弹性收缩与缠绕时的压应力及复合材料的固化收缩相抵消，并与复合材料层间发生剥落分离。