CN103994319A - 薄壁金属内衬纤维全缠绕轻质高压气瓶的缠绕和固化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种薄壁金属内衬纤维全缠绕轻质高压气瓶的缠绕和固化方法；具体为：A、将内衬充气至压力P_c后密封处理，P_c保证内衬在充气状态下仍然停留在弹性区；B、用与树脂胶液混合后的纤维以螺旋和环向的形式在内衬表面进行湿法缠绕，缠绕至内衬表面被完全包覆；C、对完成缠绕的气瓶进行固化；D、固化后的气瓶继续充气至压力P_cn后，重复步骤B、C；其中，一次缠绕固化后气瓶对应的P_cn为P_cn，二次缠绕固化后气瓶对应的P_cn为P_cn，依次类推；E、重复步骤D，直至完成气瓶的n次充气与n次缠绕固化。与现有的缠绕工艺相比，本发明可避免薄壁金属内衬在缠绕及固化过程中失稳现象的发生，从而获得具有高容积特性系数的复合材料气瓶。

Description

薄壁金属内衬纤维全缠绕轻质高压气瓶的缠绕和固化方法

技术领域

本发明涉及薄壁金属内衬复合材料气瓶，具体涉及一种薄壁金属内衬纤维全缠绕轻质高压气瓶的缠绕和固化方法。

背景技术

高压气瓶的空间应用非常广泛，如空间推进系统各种气瓶、空间站环控和生命支撑系统压力容器等。复合材料气瓶的质量仅为钛合金的40％左右，且具有破裂前先泄漏(LBB)的疲劳失效模式，可增大有效载荷比、降低发射成本费用。目前，国外卫星、运载火箭和导弹等航天系统传统钛合金高压气瓶已逐渐被复合材料缠绕高压气瓶取代。复合材料气瓶相比传统全金属气瓶具有质量轻、抗爆、可监控、结构设计灵活等特点。其常用缠绕层材料为碳纤维增强环氧树脂基复合材料(CF/EP)，具有密度小、高比强度、高比模量、热膨胀系数小等特性。

迄今为止，复合材料压力容器已发展成为航空航天结构动力系统的关键组成部件之一，无论从结构重量还是从占据的几何空间上看，都占有极高的比例，而其减重是制约着新一代发动机系统的研制和发展的瓶颈。如何设计和制造出轻量化的复合材料压力容器，最大化地减轻系统的重量，是航空航天动力系统设计者和复合材料研究人员追求的永恒目标。世界发达国家无不将发展航空航天动力系统用轻量化复合材料压力容器作为国家重点科研课题之一，如美国NASA提出的新航空研究计划(New AeronauticsResearch Program)、2030年前的太空探索规划(3rd space exploration conference&exhibit)、欧洲木星探索计划等，均将发展轻量化复合材料压力容器技术列为太空探索的关键技术之一，并对这些技术实行严密的封锁。

新一代航天动力系统使用的复合材料气瓶要求重量轻，需实现较高的气瓶容重比。NASA研究机构的相关资料表明，在相同的工作压力下，采用薄壁金属内衬对复合材料气瓶的减重最为显著。但是，在薄壁气瓶的缠绕过程中，易发生径向失稳现象。失稳是外压容器主要的失效形式之一，特点是失稳发生状态下容器应力水平往往小于材料强度(刚性筒除外)。考虑到缠绕过程中，纤维张力引起的预紧力可以等效为外压，由此可能导致薄壁内衬在缠绕过程中发生失稳情况。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种避免薄壁金属内衬失稳的薄壁金属内衬纤维全缠绕轻质高压气瓶的缠绕和固化方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明涉及一种薄壁金属内衬纤维全缠绕轻质高压气瓶的缠绕和固化方法，所述方法包括如下步骤：

A、将薄壁金属内衬充气至压力P_c(不高于内衬液压实验值)后进行密封处理，所述充气压力P_c保证薄壁金属内衬在充气状态下仍然停留在弹性区；

B、用与树脂胶液混合后的纤维以螺旋和环向的形式在薄壁金属内衬表面进行湿法缠绕，缠绕至预设层数，此时薄壁金属内衬表面被完全包覆；

C、对完成步骤B缠绕的气瓶进行固化；

D、将固化后的气瓶继续充气至充气压力P_cn后，重复步骤B、C；其中，一次缠绕、固化后气瓶对应的充气压力P_cn为P_c1，二次缠绕、固化后气瓶对应的充气压力P_cn为P_c2，依次类推；

E、重复步骤D，直至完成气瓶的n次充气与n次缠绕、固化，即可。

优选地，所述充气压力P_c的确定具体为：根据金属内衬的基础数据，对气瓶的爆破压力P_h和水压试验压力P_s进行校核，在保证气瓶充压与纤维张力平衡的情况下，确定薄壁内衬充气压力P_c。

优选地，所述树脂胶液为中低温热固性环氧树脂胶液，其最高固化温度低于或等于120℃。

优选地，所述纤维为碳纤维、PBO纤维或芳纶纤维。

优选地，所述缠绕的线型包括简体部分环向缠绕和椭圆曲面尾部、肩部及简体部分的螺旋缠绕。所述缠绕层的铺层顺序遵循纤维缠绕网格理论，同时满足设计指标要求。

优选地，第一次固化时，将完成步骤B缠绕的气瓶进行充补气至P_c后进行固化。

优选地，所述固化具体为：室温升温30分钟至100℃，保温1小时；100℃升温20分钟至120℃，保温2小时；120℃升温20分钟至140℃，保温2小时；降温至60℃，自然冷却至室温，即可。

优选地，所述充气压力P_cn的确定具体为：对完成n次固化后的气瓶爆破压力P_hn和水压试验压力P_sn进行校核，在保证气瓶充压与纤维张力平衡的情况下，确定充气压力P_cn。

优选地，所述薄壁金属内衬的壁厚小于或等于2mm。

优选地，所述薄壁金属内衬为钛合金内衬或铝合金内衬。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：在保证轻质的要求下，内衬壁厚较小，而压力容器缠绕所需张力较大，会出现缠绕过程中内衬失稳的情况，通过本发明的工艺，根据压力容器不同工作压力、爆破压力及循环寿命等的不同，设计薄壁金属内衬不同的充气压力，来平衡缠绕张力引起的内衬载荷。从而避免薄壁金属内衬在缠绕及固化过程中失稳现象的发生，从而获得具有高容积特性系数的复合材料气瓶。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为薄壁金属内衬纤维全缠绕轻质高压气瓶的结构示意图；

其中，1 为简体部分，2 为椭圆曲面尾部，3 为椭圆曲面肩部。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例

本实施例涉及用于薄壁金属内衬纤维全缠绕轻质高压气瓶的缠绕和固化方法，该方法包括以下步骤：

(1)薄壁金属内衬纤维全缠绕轻质高压气瓶的内衬的材质为6061铝合金，该内衬的厚度为1.0mm，气瓶液压强度试验压力与爆破压力分别为1.0MPa和2.3MPa，通过计算确定内衬缠绕前的充气压力为0.6MPa。

高压容器在承受内压作用下的弹性应力公式为：

${\mathrm{\σ}}_r=\frac{p}{K^2-1}(1-\frac{R_0^2}{r^2})$

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ}}=\frac{p}{K^2-1}(1+\frac{R_0^2}{r^2})$

${\mathrm{\σ}}_z=\frac{p}{K^2-1}$

式中σ_r，σ_θ，σ_z------分别为高压容器简体的周向应力、经向应力和轴向应力，MPa；

P------内压载荷；

K------容器外径与内径之比；

r------简体壁内任意点的半径，mm。

(2)将铝内衬充气至0.6MPa后进行密封处理，利用专用工装将其固定于缠绕机的芯轴上。

(3)采用纤维PBO纤维以及商业环氧树脂(固化温度低于120℃)进行第一次缠绕(高压气瓶结构示意图如图1所示)，其具体的缠绕方式为：线型包括简体部分1环向+椭圆曲面尾部2、肩部3及简体部分1的螺旋缠绕，碳纤维缠绕层的铺层次序为

(4)将完成第一次缠绕后的气瓶进行充补气至0.6MPa放入固化炉中，按照下述固化制度完成第一次固化。

室温升温30分钟至100℃，保温1小时；

100℃升温20分钟至120℃，保温2小时；

120℃升温20分钟至140℃，保温2小时；

降温至60℃，自然冷却至室温，打开炉门。

(5)完成一次固化后的气瓶爆破压力经计算约为28MPa，在保证气瓶充压与纤维张力平衡的情况下，确定第二次内衬的充气压力为0.6MPa。

(6)对完成二次充压后的气瓶进行第二次缠绕，其具体的缠绕方式为：线型包括简体部分环向+椭圆曲面尾部、肩部及简体段的螺旋缠绕，碳纤维缠绕层的铺层次序为

(7)按照步骤(4)中的固化制度完成第二次固化，即得产品。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种薄壁金属内衬纤维全缠绕轻质高压气瓶的缠绕和固化方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

A、将薄壁金属内衬充气至压力P_c后进行密封处理，所述充气压力P_c保证薄壁金属内衬在充气状态下仍然停留在弹性区；

B、用与树脂胶液混合后的纤维以螺旋和环向的形式在薄壁金属内衬表面进行湿法缠绕，缠绕至预设层数，此时薄壁金属内衬表面被完全包覆；

C、对完成步骤B缠绕的气瓶进行固化；

D、将固化后的气瓶继续充气至充气压力P_cn后，重复步骤B、C；其中，一次缠绕、固化后气瓶对应的充气压力P_cn为P_c1，二次缠绕、固化后气瓶对应的充气压力P_cn为P_c2，依次类推；

E、重复步骤D，直至完成气瓶的n次充气与n次缠绕、固化，即可。

2.如权利要求1所述的薄壁金属内衬纤维全缠绕轻质高压气瓶的缠绕和固化方法，其特征在于，所述充气压力P_c的确定具体为：根据金属内衬的基础数据，对气瓶的爆破压力P_h和水压试验压力P_s进行校核，在保证气瓶充压与纤维张力平衡的情况下，确定薄壁内衬充气压力P_c。

3.如权利要求1所述的薄壁金属内衬纤维全缠绕轻质高压气瓶的缠绕和固化方法，其特征在于，所述树脂胶液为中低温热固性环氧树脂胶液，其最高固化温度低于或等于120℃。

4.如权利要求1所述的薄壁金属内衬纤维全缠绕轻质高压气瓶的缠绕和固化方法，其特征在于，所述纤维为碳纤维、PBO纤维或芳纶纤维。

5.如权利要求1所述的薄壁金属内衬纤维全缠绕轻质高压气瓶的缠绕和固化方法，其特征在于，所述缠绕的线型包括简体部分环向缠绕和椭圆曲面尾部、肩部及简体部分的螺旋缠绕。

6.如权利要求1所述的薄壁金属内衬纤维全缠绕轻质高压气瓶的缠绕和固化方法，其特征在于，第一次固化时，将完成步骤B缠绕的气瓶进行充补气至P_c后进行固化。

7.如权利要求1或6所述的薄壁金属内衬纤维全缠绕轻质高压气瓶的缠绕和固化方法，其特征在于，所述固化具体为：室温升温30分钟至100℃，保温1小时；100℃升温20分钟至120℃，保温2小时；120℃升温20分钟至140℃，保温2小时；降温至60℃，自然冷却至室温，即可。

8.如权利要求1所述的薄壁金属内衬纤维全缠绕轻质高压气瓶的缠绕和固化方法，其特征在于，所述充气压力P_cn的确定具体为：对完成n次固化后的气瓶爆破压力P_hn和水压试验压力P_sn进行校核，在保证气瓶充压与纤维张力平衡的情况下，确定充气压力P_cn。

9.如权利要求1所述的薄壁金属内衬纤维全缠绕轻质高压气瓶的缠绕和固化方法，其特征在于，所述薄壁金属内衬的壁厚小于或等于2mm。

10.如权利要求1所述的薄壁金属内衬纤维全缠绕轻质高压气瓶的缠绕和固化方法，其特征在于，所述薄壁金属内衬为钛合金内衬或铝合金内衬。