CN103574280A - 复合材料气瓶设计与制造的两步成型方法及应用 - Google Patents

Abstract

一种复合材料气瓶设计与制造的两步成型方法及应用，属于压力容器设计与制造领域。将气瓶的设计工作压力P_工分解为基本工作压力P_基和附加工作压力P_附。分别根据P_基 、P_附。进行气瓶的第一步加工成型，其中气瓶的自紧操作在第一步加工成型的过程中完成；再进行第二步的缠绕和固化加工，固化时的最高温度适当调低，得到最终成型产品。本发明减少用作内衬的铝合金材料用量，优化其结构重量；降低此类气瓶的自紧压力，降低纤维与树脂在自紧过程中的断裂率，进而保证气瓶的总体力学性能。另外，减小相关设备的承载负荷，延长其使用寿命。

Description

复合材料气瓶设计与制造的两步成型方法及应用

技术领域 

本发明涉及一种纤维全缠绕金属内胆的高压气瓶成型及应用，特别是35MPa及以上高压气瓶的成型，属于压力容器设计与制造领域。

背景技术   

    在国内,复合材料高压气瓶的设计制造领域，相关的专利技术和文献一般适用于30MPa及以下的气瓶的设计与制造工艺，如浙江大学郑传祥、曹堃等发明的03150968.1“复合材料压力容器”，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”等。根据经典热力学中的克拉伯龙方程，对于一定容积的高压气瓶，充装气体的质量与压强呈正比例关系。也就是说，气瓶的设计充装压力越高，则所能容纳的气体就越多，这对于终端用户和生产厂家来说，其意义无疑是显然的。

对于国内的常用气瓶，若充装介质为压缩天然气，其工作压力一般不超过30MPa，采用一次缠绕固化成型即可。但若充装介质为压缩氢气，其工作压力一般在35MPa、70MPa及以上，如果仍采用一次固化成型技术，其材料用量将相应增大，如内胆的壁厚增加和铺层增厚等，生产过程中的自紧压力也相应很高，相关设备的承载和能耗也相应增加。另外，对于较厚的复合材料铺层，若采用一次缠绕固化工艺，较高的自紧压力必将使裂纹加剧产生，进而导致复合材料层的总体力学性能降低。 

发明内容   

针对35MPa及以上工作压力的高压气瓶成型，本发明的目的主要在于减少用作内衬的铝合金材料用量，优化其结构重量；降低此类气瓶的自紧压力，降低纤维与树脂在自紧过程中的断裂率，进而保证气瓶的总体力学性能。另外，减小相关设备的承载负荷，延长其使用寿命。

为解决上述问题，本发明采用的方案是： 

一种复合材料气瓶设计与制造的两步成型方法，其特征在于该方法包括以下步骤： 

步骤一、对气瓶所用的金属和纤维分别做力学拉伸试验，得到材料的弹性模量、剪切模量、泊松比，以及屈服强度和抗拉强度数据； 

步骤二、将气瓶的设计工作压力P_工分解为基本工作压力P_基和附加工作压力P_附，基本工作压力取较低的、常用气瓶的工作压力； 

步骤三、根据步骤一中获得的数据，按相关标准中的要求，以P_基为气瓶工作压力进行有限元设计和仿真分析，确定气瓶的形状参数和工艺数据，并使气瓶的各种受力状态和应变符合标准要求，并分别记录气瓶在工作压力P_基、疲劳试验压力P_基疲和设计爆破压力P_基爆下的最大环向应变ε_环和最大轴向应变ε_轴； 

步骤四、根据步骤一中获得的数据，按相关标准中的要求，依据气瓶实际的设计工作压力P_工、疲劳试验压力P_工疲和设计爆破压力P_工爆，对外层复合材料进行二次有限元设计和仿真分析，确定铺层的厚度与铺放方式，此时认为复合材料层与初次成型气瓶共同承受上述压力，取P_附工=P_工-P_基、P_附疲=P_工疲-P_基疲、P_附爆=P_工爆-P_基爆，对所设计复合材料加压，分别得到复合材料的最大环向应变ε'_环和最大轴向应变ε'_轴，并使ε'_环≤ε_环和ε'_轴≤ε_轴，则可得：最终完工后的气瓶在上述实际的压力状态下，金属内衬的应变和应力状态仍能满足相关标准中的要求； 

步骤五、按步骤三计算所得数据，进行气瓶的第一步加工成型，其中气瓶的自紧操作在第一步加工成型的过程中完成；再按照步骤四计算所得数据对气瓶实施第二步的缠绕和固化加工，其中第二步中固化最高温度比上述第一步加工成型中的固化最高温度低5-15度，得到最终成型产品。 

所述的一种气瓶的两步成型方法，其特征在于：步骤二中所述基本工作压力为20MPa。因20MPa为企业大量生产的常用气瓶的工作压力，技术工艺成熟。 

所述的一种气瓶的两步成型方法，其特征在于：适用于35MPa及以上工作压力的复合材料全缠绕气瓶。 

      运用两步法进行35MPa及以上工作压力气瓶的加工成型，相比常用的一步缠绕固化成型方法，具有一定的优越性。对于气瓶来说，内胆壁厚的较薄率在35%以上，减轻了气瓶的总体重量，并节约了金属材料（如铝合金）的成本。另一方面，自紧压力降低约37.5%，减少了纤维的断裂率，提高了复合材料及整体结构的力学性能。对于设备来说，较低的工作压力更容易达到，有利于延缓关键部件的使用寿命。 

具体实施方式

     两步法成型工艺是贯穿于整个气瓶的设计、加工过程的。以常用的容量为120升的储氢气瓶为例，工作压力为35MPa。内胆采用6061-T6铝合金旋压并热处理得到，其内径为335mm。外层复合材料由东丽T-700型号24K的碳纤维和环氧树脂以印胶模式缠绕固化得到。 

步骤一、对两种材料实施力学拉伸试验和计算，测得铝合金的弹性模量为70GPa、泊松比为0.32、屈服强度和抗拉强度分别为300MPa和330MPa，得到各向异性碳纤维复合材料的轴向弹性模量为165GPa，环向为124GPa，径向为90GPa，对应的泊松比为0.01，0.06和0.01，对应的剪切模量为6GPa，6GPa和25GPa； 

步骤二、因20MPa为企业大量生产的常用气瓶的工作压力，技术工艺成熟，故将工作压力35MPa分解为20MPa和15MPa两部分;

步骤三、参考企业标准，以20MPa为气瓶的工作压力进行理论计算和有限元分析仿真，对应的疲劳试验压力为26MPa，设计爆破压力定为54MPa。确定内胆壁厚5.2mm，自紧压力45MPa，气瓶的各项受力状况满足企业标准要求。求得在工作压力、疲劳循环压力和设计爆破压力下的最大环向应变和最大轴向应变分别为0.27%和0.25%、0.35%和0.32%、2.1%和2.0%。纤维以螺向和环向交替方式缠绕，确定铺层厚度为5.4mm；

步骤四、依据35MPa的设计工作压力，对复合材料层进行二次设计，根据企业标准，对应的疲劳试验压力为43.75MPa，设计爆破压力定为84MPa，则外层复合材料在上述三种压力状态下应承受的压力分别为15MPa，17.75MPa和39MPa，仿真结果显示最大环向应变和最大轴向应变分别为0.26%和0.25%、0.34%和0.31%、2.1%和2.0%，满足要求。纤维同样以螺向和环向交替方式缠绕，铺层厚度为4.4mm；

步骤五，按设计数据和工艺生产得到气瓶的半成品后，对其实施自紧和水压操作，压力分别为45MPa和30MPa，其中的固化制度为：室温→升温60分钟至95℃→保温90分钟→再次升温30分钟至140℃→保温90分钟→空冷至室温，第一步成型结束。将气瓶外部轻微打磨平整，根据步骤四所得数据实施第二步加工成型，对气瓶实施纤维缠绕和固化，为了保证前期已固化树脂的强度，固化温度的最高值适当调低，具体的固化制度为：室温→升温60分钟至95℃→保温90分钟→再次升温30分钟至130℃→保温90分钟→空冷至室温，加工结束。后期的相关试验数据表明，气瓶的受力状况和形变与前期理论设计和有限元仿真得到的数据吻合较好。

为了进行效果比较，对35MPa气瓶实施了一次固化成型的有限元建模仿真与分析计算，并同样实施了产品的制作和相关试验。有限元建模和仿真显示：内胆壁厚为8.0mm，复合材料层厚度9.6mm。自紧和水压操作的压力分别为72MPa和52.5MPa，其工艺流程和固化制度与两步成型法中的第一步工艺类似，在此不再赘述。同样，试验结果与前期的有限元分析和理论计算吻合较好。 

上述两种成型方法中的数据对比可见，两步成型法是具有一定经济价值和实施意义的。特别地，金属内衬的厚度和自紧压力得到了很好的优化。 

    对于工作压力为70MPa的铝内胆碳纤维全缠绕气瓶来说，本发明仍然适用于其设计制造过程，在结构优化、成本控制等方面也将取得良好的效果。 

Claims (3)

1.一种复合材料气瓶设计与制造的两步成型方法，其特征在于该方法包括以下步骤： 

步骤一、对气瓶所用的金属和纤维分别做力学拉伸试验，得到材料的弹性模量、剪切模量、泊松比，以及屈服强度和抗拉强度数据； 

步骤二、将气瓶的设计工作压力P_工分解为基本工作压力P_基和附加工作压力P_附，基本工作压力取较低的、常用气瓶的工作压力； 

步骤三、根据步骤一中获得的数据，按相关标准中的要求，以P_基为气瓶工作压力进行有限元设计和仿真分析，确定气瓶的形状参数和工艺数据，并使气瓶的各种受力状态和应变符合标准要求，并分别记录气瓶在工作压力P_基、疲劳试验压力P_基疲和设计爆破压力P_基爆下的最大环向应变ε_环和最大轴向应变ε_轴； 

步骤四、根据步骤一中获得的数据，按相关标准中的要求，依据气瓶实际的设计工作压力P_工、疲劳试验压力P_工疲和设计爆破压力P_工爆，对外层复合材料进行二次有限元设计和仿真分析，确定铺层的厚度与铺放方式，此时认为复合材料层与初次成型气瓶共同承受上述压力，取P_附工=P_工-P_基、P_附疲=P_工疲-P_基疲、P_附爆=P _工爆-P_基爆，对所设计复合材料加压，分别得到复合材料的最大环向应变ε'_环和最大轴向应变ε'_轴，并使ε'_环≤ε_环和ε'_轴≤ε_轴，则可得：最终完工后的气瓶在上述实际的压力状态下，金属内衬的应变和应力状态仍能满足相关标准中的要求； 

步骤五、按步骤三计算所得数据，进行气瓶的第一步加工成型，其中气瓶的自紧操作在第一步加工成型的过程中完成； 

再按照步骤四计算所得数据对气瓶实施第二步的缠绕和固化加工，其中第二步中固化最高温度比上述第一步加工成型中的固化最高温度低5-15度，得到最终成型产品。 

2.按照权利要求1所述的复合材料气瓶设计与制造的两步成型方法，其特征在于：步骤二中所述基本工作压力为20MPa。 

3.按照权利要求1所述的复合材料气瓶设计与制造的两步成型方法的应用，其特征在于：应用于35MPa及以上工作压力的复合材料全缠绕气瓶。