CN108061241B - 一种可重复使用复合材料气瓶及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可重复使用复合材料气瓶及其设计方法。本发明通过气瓶结构形式及原材料的选择、金属内胆设计、复合材料层铺层设计、自紧压力设计、强度分析、疲劳寿命分析、静力分析等，采取了增加内衬壁厚、改进内衬材料、在金属内衬和碳纤维复合材料层之间设计了连接层，并增加了方便气瓶无损检测及健康监测的设计，从而实现了气瓶重复使用次数不低于300次的高疲劳寿命、且气瓶重量轻、相对经济成本低、制造工艺简单、无损检测及健康监测方便快捷的技术效果，进而解决了设计出高疲劳寿命复合材料气瓶的技术问题。

Description

一种可重复使用复合材料气瓶及其设计方法

技术领域

本申请涉及航天航空技术领域，具体而言，涉及一种可重复使用复合材料气瓶及其设计方法。

背景技术

复合材料气瓶是火箭增压输送系统重要单机，用以贮存高压氮气或氦气，为推进剂贮箱增压。目前运载火箭用高压复合材料气瓶的重复使用次数一般不超过100次。随着我国宇航技术的发展，对运载器提出了重复使用的要求，这对复合材料气瓶的重复使用性能提出了较大挑战，需要设计出重复使用次数更多、重复使用性能更高的高疲劳寿命复合材料气瓶。

针对上述提出的设计出高疲劳寿命复合材料气瓶的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本发明实施例提供了一种运载火箭用可重复使用复合材料气瓶及其设计方法，以至少解决设计出高疲劳寿命复合材料气瓶的技术问题。

本发明的一个目的是提供一种气瓶，包括金属内胆和复合材料层，所述气瓶还包括下述1)-5)中至少一种所述：

1)所述气瓶由内到外依次包括金属内胆、连接层和复合材料层；所述连接层包括具粘性和/或柔性的材料；

2)所述复合材料层采用网格理论进行铺层设计；

3)所述金属内胆的设计采用Manson-coffin公式；

4)所述复合材料表面设置有传感器；

5)所述金属内胆表面设置有传感器。

具体的，所述气瓶还包括下述1)-7)中至少一种所述：

1)当所述复合材料层采用网格理论进行铺层设计时，设置爆破压力为气瓶工作压力的2倍；

2)当所述金属内胆的设计采用Manson-coffin公式时，设置气瓶反复充压失效次数为其疲劳寿命的4倍；

3)当所述气瓶包括连接层时，所述连接层包括玻璃布和/或环氧底漆；

4)所述复合材料层包括高强碳纤维增强环氧树脂；

5)所述金属内胆包括6061铝合金内衬和/或TC4钛合金内衬；

6)所述金属内胆的壁厚包括0.5-1.7mm；

7)当所述气瓶包括传感器时，所述传感器包括光纤光栅应变和/或温度传感器。

具体的，所述气瓶还包括通过下述方法制备得到的气瓶，所述方法包括通过有限元软件建立所述气瓶的仿真模型后进行仿真分析，然后通过得到的仿真分析结果，调整所述气瓶的结构，使所述气瓶重复使用次数达到300次以上，并且具备4倍安全裕度；所述仿真分析包括下述1)-7)中至少一种：

1)所述金属内胆采用SOLID95单元进行网格剖分，所述复合层材料层应用SHELL99单元进行剖分，SHELL99单元与SOLID95单元的单元面重合，并且共用节点，对三个对称面施加对称约束；

2)对所述复合材料层的应力、应变、气瓶轴向、和/或径向位移进行仿真分析；

3)对所述金属内胆的应力、应变、气瓶轴向、和/或径向位移进行仿真分析；

4)对所述气瓶进行自紧压力设计；

5)对所述气瓶进行强度分析；

6)对所述气瓶校核疲劳寿命；

7)对所述气瓶进行静力分析。

具体的，

所述自紧压力设计包括：

使用有限元软件在工作压力到两倍的工作压力的范围内搜索最佳自紧压力，一次搜索过程为：0→自紧压力(变量)→0→工作压力；以变量SLSE≤0.5且ΔP≤1MPa为搜索停止的条件，若搜索过程始终达不到上述条件，则搜索过程停止，自紧压力的取值比两倍工作压力小，且其差值小于1MPa；

其中，AVE_i为第i次搜索工作压力下筒身段Mises应力平均值；

所述强度分析包括：通过有限元软件建立仿真模型后，以一定步长，局部加载，直至破坏；在每步完成后对结果进行叠加，再对单元进行检查，并相应对材料参数进行刚度折减；对于每个载荷步，应用Tsai-Wu准则判断基体破坏和纤维断裂，Chang-Chang准则判断纤维分层，校核气瓶强度；

所述气瓶校核疲劳寿命包括下述步骤1)-3)：

1)有限元软件得到气瓶充压疲劳过程中的应变；

2)利用Manson-coffin公式校核气瓶疲劳寿命；

3)通过水压疲劳试验对所述气瓶疲劳寿命进行验证；

所述静力分析包括通过有限元软件进行静力分析。

具体的，所述气瓶还包括对所述气瓶进行无损检测和/或健康监测，根据监测结果调整所述气瓶的结构，使所述气瓶重复使用次数达到100次以上；再具体的，使所述气瓶重复使用次数达到300次以上，并且具备4倍安全裕度；所述无损检测和/或健康监测包括对所述气瓶的金属内胆表面和/或复合材料表面的应变、温度的监测；所述应变、温度的监测包括通过所述传感器进行检测。

具体的，所述金属内胆的结构包括采用球形或者圆筒段加椭球形封头的形式。

当所述金属内胆采用铝合金内衬时，所述铝合金内衬采用旋压成型。

具体的，本发明所述任一气瓶为运载火箭用气瓶。

本发明的另一个目的是提供一种气瓶的设计方法，所述气瓶包括金属内胆和复合材料层，所述方法包括下述1)-5)中至少一种所述：

1)在所述金属内胆和复合材料层中间设置连接层；所述连接层包括具粘性和/或柔性的材料；

2)所述复合材料层采用网格理论进行铺层设计；

3)所述金属内胆的设计采用Manson-coffin公式；

4)在所述复合材料表面设置传感器；

5)在所述金属内胆表面设置传感器。

具体的，所述方法还包括下述1)-7)中至少一种所述：

1)当所述复合材料层采用网格理论进行铺层设计时，设置爆破压力为气瓶工作压力的2倍；

2)当所述金属内胆的设计采用Manson-coffin公式时，设置气瓶反复充压失效次数为其疲劳寿命的4倍；

3)当所述气瓶包括连接层时，所述连接层包括玻璃布和/或环氧底漆；

4)所述复合材料层包括高强碳纤维增强环氧树脂；

5)所述金属内胆包括6061铝合金内衬和/或TC4钛合金内衬；

6)所述金属内胆的壁厚包括0.5-1.7mm；

7)当所述气瓶包括传感器时，所述传感器包括光纤光栅应变和/或温度传感器。

具体的，所述方法还包括通过有限元软件建立所述气瓶的仿真模型后进行仿真分析，然后通过得到的仿真分析结果，调整所述气瓶的结构，使所述气瓶重复使用次数达到300次以上，并且具备4倍安全裕度；所述仿真分析包括下述1)-7)中至少一种：

1)所述金属内胆采用SOLID95单元进行网格剖分，所述复合层材料层应用SHELL99单元进行剖分，SHELL99单元与SOLID95单元的单元面重合，并且共用节点，对三个对称面施加对称约束；

2)对所述复合材料层的应力、应变、气瓶轴向、和/或径向位移进行仿真分析；

3)对所述金属内胆的应力、应变、气瓶轴向、和/或径向位移进行仿真分析；

4)对所述气瓶进行自紧压力设计；

5)对所述气瓶进行强度分析；

6)对所述气瓶校核疲劳寿命；

7)对所述气瓶进行静力分析。

具体的，所述自紧压力设计包括：

使用有限元软件在工作压力到两倍的工作压力的范围内搜索最佳自紧压力，一次搜索过程为：0→自紧压力(变量)→0→工作压力；以变量SLSE≤0.5且ΔP≤1MPa为搜索停止的条件，若搜索过程始终达不到上述条件，则搜索过程停止，自紧压力的取值比两倍工作压力小，且其差值小于1MPa；

其中，AVE_i为第i次搜索工作压力下筒身段Mises应力平均值；

所述强度分析包括：通过有限元软件建立仿真模型后，以一定步长，局部加载，直至破坏；在每步完成后对结果进行叠加，再对单元进行检查，并相应对材料参数进行刚度折减；对于每个载荷步，应用Tsai-Wu准则判断基体破坏和纤维断裂，Chang-Chang准则判断纤维分层，校核气瓶强度；

所述气瓶校核疲劳寿命包括下述步骤1)-3)：

1)有限元软件得到气瓶充压疲劳过程中的应变；

2)利用Manson-coffin公式校核气瓶疲劳寿命；

3)通过水压疲劳试验对所述气瓶疲劳寿命进行验证；

所述静力分析包括通过有限元软件进行静力分析。

具体的，所述方法还包括对所述气瓶进行无损检测和/或健康监测，根据监测结果调整所述气瓶的结构，使所述气瓶重复使用次数达到100次以上；再具体的，使所述气瓶重复使用次数达到300次以上，并且具备4倍安全裕度；所述无损检测和/或健康监测包括对所述气瓶的金属内胆表面和/或复合材料表面的应变、温度的监测；所述应变、温度的监测包括通过所述传感器进行检测。

具体的，所述金属内胆的结构包括采用球形或者圆筒段加椭球形封头的设计形式。

当所述金属内胆采用铝合金内衬时，所述铝合金内衬采用旋压成型。

本发明的再一个目的是提供本发明任一所述的气瓶、本发明任一所述方法的应用。

具体的，本发明任一所述气瓶的应用包括下述1)-2)中的至少一种：

作为高疲劳寿命复合材料气瓶及其相关产品的应用；所述高疲劳寿命包括可重复使用次数达到100次以上；优选的，可重复使用次数达到300次以上；

作为航空航天用气瓶及其相关产品的应用；所述航空航天用气瓶具体包括火箭用气瓶。

具体的，本发明任一所述方法的应用包括下述1)-2)中的至少一种：

在制备或设计高疲劳寿命复合材料气瓶及其相关产品中的应用；所述高疲劳寿命包括可重复使用次数达到100次以上；优选的，可重复使用次数达到300次以上；

在制备或设计航空航天用气瓶及其相关产品中的应用；所述航空航天用气瓶具体包括火箭用气瓶。在本发明实施例中，通过气瓶结构形式及原材料的选择、金属内胆设计、复合材料层铺层设计、自紧压力设计、强度分析、疲劳寿命分析、静力分析等，采取了增加内衬壁厚、改进内衬材料、在金属内衬和碳纤维复合材料层之间设计了连接层，并增加了方便气瓶无损检测及健康监测的设计，从而实现了气瓶重复使用次数不低于300次的高疲劳寿命、且气瓶重量轻、相对经济成本低、制造工艺简单、无损检测及健康监测方便快捷的技术效果，进而解决了设计出高疲劳寿命复合材料气瓶的技术问题。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是56L钛合金内衬气瓶的结构图；

图2是56L钛合金内衬气瓶的结构图；

图3是56L钛合金内衬气瓶疲劳寿命仿真结果。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

实施例1

(一)重复使用复合材料气瓶设计技术

通过增加内衬壁厚(本实施例所述气瓶金属内胆的壁厚包括0.5-1.7mm)和改进内衬材料两种方式，设计高疲劳寿命复合材料气瓶。结构形式采用金属内胆/复合材料层的双层结构，采用纤维缠绕成型工艺。复合材料层采用高强碳纤维增强环氧树脂(公众可直接购买得到)制作，并在金属内衬和碳纤维复合材料层之间设计有连接层。

针对不同使用工况，设计了56L、20L复合材料气瓶，其工作压力分别为23MPa、12MPa，对每种规格的气瓶，又分别采用6061铝合金内衬、TC4钛合金内衬进行设计，图1、图2是56L钛合金内衬气瓶的结构图。复合材料气瓶的强度主要由复合材料层决定，设计采用较为成熟和可靠的网格理论，采用2倍安全裕度。金属内衬对复合材料气瓶的疲劳寿命影响很大，设计基于Manson-coffin公式，采用4倍安全裕度。

(二)重复使用复合材料气瓶仿真分析技术

利用有限元软件建立仿真模型，气瓶内衬采用SOLID95单元进行网格剖分，复合层应用SHELL99单元进行剖分，SHELL99单元与SOLID95单元的单元面重合，并且共用节点，三个对称面施加对称约束。对气瓶工作压力下内衬和复合材料层的应力、应变及气瓶轴向径向位移进行仿真分析，得到气瓶工作状态下的状态参数。并利用Manson-coffin公式校核气瓶疲劳寿命，图3是56L钛合金内衬气瓶疲劳寿命仿真结果。

基于上述模型，进行损伤容限分析，以一定步长，局部加载，直至破坏。在每步完成后对结果进行叠加，再对单元进行检查，并相应对材料参数进行刚度折减。对于每个载荷步，应用Tsai-Wu准则判断基体破坏和纤维断裂，Chang-Chang准则判断纤维分层，校核气瓶强度。

(三)重复使用复合材料气瓶无损检测及健康监测技术

对于重复使用复合材料气瓶的无损检测，利用内窥检查和声发射检测相结合的方法。对于气瓶的健康监测，采用新型埋入式光纤传感器用于检测复合材料气瓶的应变及温度，在研制试验中，完成了将光纤光栅应变/温度传感器布设在高压气瓶瓶胆表面、碳纤维缠绕及固化成型、以及将光纤光栅温度/应变传感器布设在复合材料高压气瓶表面；最后在复合材料高压气瓶水压疲劳试验以及高温老炼试验过程中，采用植入铝合金内胆表面的光纤光栅传感器与粘贴在复合材料高压气瓶表面的光纤光栅传感器对比测试，实现了对复合材料高压气瓶铝合金内胆表面及气瓶表面的应变、温度的监测。

重复使用复合材料气瓶设计主要包括结构形式及原材料选择、金属内胆设计、复合材料层铺层设计、自紧压力设计、强度分析、疲劳寿命分析、静力分析等。

结构形式采用金属内胆/复合材料层的双层结构，采用纤维缠绕成型工艺，充分利用复合材料可设计性强和重量轻的优点，保证复合材料气瓶在工作压力下“只漏不爆”的安全失效模式。复合材料层采用高强碳纤维增强环氧树脂体系制作。另外，为了防止电化学腐蚀，保证复合材料层和金属内衬层之间可靠连接，避免出现脱粘等影响复合材料气瓶承载力的缺陷，在金属内衬和碳纤维复合材料层之间设计有连接层，其材料一般选用玻璃布或环氧底漆。

内胆层在工作时主要起气密作用，在成型过程中主要起芯模和“骨架”的作用，同时也是影响容器的疲劳性能的一个主要因素。金属内衬的材料选择6061铝合金或者TC4钛合金，对于铝合金内衬，可以采用旋压成型，避免出现焊接结构，提高复合材料气瓶的可靠性。内胆结构可以采用球形或者圆筒段加椭球形封头的形式。

复合材料层承担气瓶大部分的载荷，其设计参数对气瓶强度有很大影响。设计缠绕压力容器复合层时可采用较成熟和可靠的网格理论，设计时采取2倍安全裕度，即设计爆破压力为气瓶工作压力的2倍。另外，利用有限元软件建立仿真模型，对复合材料气瓶进行强度分析。气瓶内衬采用SOLID95单元进行网格剖分，复合层应用SHELL99单元进行剖分，SHELL99单元与SOLID95单元的单元面重合，并且共用节点，三个对称面施加对称约束。以一定步长，局部加载，直至破坏。在每步完成后对结果进行叠加，再对单元进行检查，并相应对材料参数进行刚度折减。对于每个载荷步，应用Tsai-Wu准则判断基体破坏和纤维断裂，Chang-Chang准则判断纤维分层。

使用有限元软件在工作压力到两倍的工作压力的范围内搜索最佳自紧压力，一次搜索过程为：0→自紧压力(变量)→0→工作压力。以变量SLSE≤0.5且ΔP≤1MPa为搜索停止的条件，若搜索过程始终达不到上述条件，则搜索过程停止，自紧压力的取值比两倍工作压力小，且其差值小于1MPa。

其中，AVE_i为第i次搜索工作压力下筒身段Mises应力平均值；

在本发明实施例中，通过气瓶结构形式及原材料的选择、金属内胆设计、复合材料层铺层设计、自紧压力设计、强度分析、疲劳寿命分析、静力分析等，采取了增加内衬壁厚、改进内衬材料、在金属内衬和碳纤维复合材料层之间设计了连接层，并增加了方便气瓶无损检测及健康监测的设计，从而实现了气瓶重复使用次数不低于300次的高疲劳寿命、且气瓶重量轻、相对经济成本低、制造工艺简单、无损检测及健康监测方便快捷的技术效果，进而解决了设计出高疲劳寿命复合材料气瓶的技术问题。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述做出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

此外，上述本申请实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。在本申请的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种气瓶，其特征在于，包括金属内胆和复合材料层，所述气瓶还包括下述1)-5)中至少一种所述：

1)所述气瓶由内到外依次包括金属内胆、连接层和复合材料层；所述连接层包括具粘性和/或柔性的材料；

2)所述复合材料层采用网格理论进行铺层设计；

3)所述金属内胆的设计采用Manson-coffin公式；

4)复合材料层表面设置有传感器；

5)所述金属内胆表面设置有传感器，所述金属内胆的结构包括采用球形或者圆筒段加椭球形封头的形式；

所述气瓶还包括下述1)-7)中至少一种所述：

1)当所述复合材料层采用网格理论进行铺层设计时，设置爆破压力为气瓶工作压力的2倍；

2)当所述金属内胆的设计采用Manson-coffin公式时，设置气瓶反复充压失效次数为其疲劳寿命的4倍；

3)当所述气瓶包括连接层时，所述连接层包括玻璃布和/或环氧底漆；

4)所述复合材料层包括高强碳纤维增强环氧树脂；

5)所述金属内胆包括6061铝合金内衬和/或TC4钛合金内衬；

6)所述金属内胆的壁厚包括0.5-1.7mm；

7)当所述气瓶包括传感器时，所述传感器包括光纤光栅应变和/或温度传感器；

所述气瓶还包括通过下述方法制备得到的气瓶，所述方法包括通过有限元软件建立所述气瓶的仿真模型后进行仿真分析，然后通过得到的仿真分析结果，调整所述气瓶的结构，使所述气瓶重复使用次数达到300次以上，并且具备4倍安全裕度；所述仿真分析包括下述1)-7)中至少一种：

1)所述金属内胆采用SOLID95单元进行网格剖分，所述复合材料层应用SHELL99单元进行剖分，SHELL99单元与SOLID95单元的单元面重合，并且共用节点，对三个对称面施加对称约束；

2)对所述复合材料层的应力、应变、气瓶轴向、和/或径向位移进行仿真分析；

3)对所述金属内胆的应力、应变、气瓶轴向、和/或径向位移进行仿真分析；

4)对所述气瓶进行自紧压力设计；

5)对所述气瓶进行强度分析；

6)对所述气瓶校核疲劳寿命；

7)对所述气瓶进行静力分析；所述自紧压力设计包括： 使用有限元软件在工作压力到两倍的工作压力的范围内搜索最佳自紧压力，一次搜索过程为：0→变量自紧压力→0→工作压力；以变量SLSE≤0.5且ΔP≤1MPa为搜索停止的条件，若搜索过程始终达不到上述条件，则搜索过程停止，自紧压力的取值比两倍工作压力小，且其差值小于1MPa；

其中，

为第i次搜索工作压力下筒身段Mises应力平均值；

所述强度分析包括：通过有限元软件建立仿真模型后，以一定步长，局部加载，直至破坏；在每步完成后对结果进行叠加，再对单元进行检查，并相应对材料参数进行刚度折减；对于每个载荷步，应用Tsai-Wu准则判断基体破坏和纤维断裂，Chang-Chang准则判断纤维分层，校核气瓶强度； 所述气瓶校核疲劳寿命包括下述步骤1)-3)：

1)有限元软件得到气瓶充压疲劳过程中的应变；

2)利用Manson-coffin公式校核气瓶疲劳寿命；

3)通过水压疲劳试验对所述气瓶疲劳寿命进行验证； 所述静力分析包括通过有限元软件进行静力分析。

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