CN108870062A - 一种变刚度变强度复合材料高压气瓶缠绕方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种变刚度变强度复合材料高压气瓶缠绕方法。其高压气瓶的内衬层由内衬圆柱和内衬圆柱两端的局部椭圆的封头组成；该椭圆的长轴长度为内衬圆柱内径加上两倍环向纤维层厚度和两倍内衬层厚度之和；该局部椭圆的短轴长度为局部椭圆长轴长度的一半；内衬层的局部椭圆与内衬圆柱相交于内衬圆柱内直径处；内衬圆柱的两端封头具有相同的形状，构成一个封闭的内衬层，封头的一端中心处开有开口；内衬圆柱外面连续缠绕环向纤维层到设定的厚度，然后连续缠绕轴向纤维层到设定的厚度，完成复合材料气瓶的缠绕。采用内衬结构和缠绕方法的优化，减轻气瓶的质量20%；由于对封头与圆柱连接处的过渡段内衬进行了改变，使该过渡段的强度得到保证。

Description

一种变刚度变强度复合材料高压气瓶缠绕方法
技术领域
本发明涉及复合材料高压气瓶的缠绕方法，尤其是涉及一种变刚度变强度复合材料高压气瓶缠绕方法。
背景技术
传统复合材料高压气瓶的缠绕方法是纤维环向缠绕二倍于纵向缠绕厚度，因为气瓶的环向应力是轴向应力的二倍，这样在筒体上可以实现等强度的优化设计。但是由于气瓶封头的特殊原因，环向纤维无法再往封头部分缠绕，同时封头上的纵向纤维因为形状原因在封头与筒体连接过渡段处分布最薄，封头中间较厚，因此会出现过渡段强度最弱的问题。为了解决这个问题，传统缠绕方法采用增加螺旋缠绕纤维来加强封头和圆柱形筒体的边界过渡部分。而螺旋缠绕部分在加强边界过渡部分的同时，其实也缠绕到了圆柱形部分，但是这个角度的加强作用与纯环向的加强作用就差很多。如图3所示，一般缠绕角度θ在70°左右，那么纤维环向强度的转化率在0.6左右，与90°的相差40%。因此可以考虑将此部分去掉，以节约纤维和减轻气瓶的质量，这部分的质量占传统缠绕气瓶的25%左右。
复合材料气瓶缠绕方法比较多，如北京宇航系统工程研究所、中国运载火箭技术研究院的CN201310632204.2“一种封头-筒身一体化纤维缠绕复合材料气瓶的设计方法”；上海复合材料科技有限公司、上海空间推进研究所的CN201310582883.7 “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”；浙江威能消防器材股份有限公司的CN201410112022.7“空气呼吸器缠绕线型结构”；连云港中复连众复合材料集团有限公司的CN200510038781.4“一种呼吸器用高压气瓶的生产方法”；浙江凯博压力容器有限公司的CN201310062849.7“一种玻璃纤维全缠绕铝内胆复合气瓶及其制造工艺”；新兴能源装备股份有限公司的CN201310062019.4“375L车用液化天然气气瓶半自动包覆装置”。这些专利均有纤维缠绕方法给出，均是基于环向缠绕与轴向缠绕，结合螺旋缠绕对环向和轴向进行加强的同时，对封头过渡部分进行加强。没有提出采用局部内衬结构的改变来加强过渡区的强度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种变刚度变强度复合材料高压气瓶缠绕方法，采用局部内衬结构的改变来加强过渡区的强度，环向和轴向强度具有根据载荷需要进行变强度变刚度设计的优化缠绕方法，进一步减轻气瓶的质量。
本发明采用的技术方案是：
一种变刚度变强度复合材料高压气瓶缠绕方法，其高压气瓶的内衬层由内衬圆柱和内衬圆柱两端的局部椭圆的封头组成；该局部椭圆的长轴长度为内衬圆柱内径加上两倍环向纤维层厚度和两倍内衬层厚度之和；该局部椭圆的短轴长度为局部椭圆长轴长度的一半；内衬层的局部椭圆与内衬圆柱相交于内衬圆柱内直径处；内衬圆柱的两端封头具有相同的形状，构成一个封闭的内衬层，封头的一端中心处开有开口；内衬圆柱外面连续缠绕环向纤维层到设定的厚度，然后连续缠绕轴向纤维层到设定的厚度，完成复合材料气瓶的缠绕。
所述连续缠绕环向纤维层，是连续一次缠绕完成，在缠绕第一层的时候，覆盖整个气瓶内衬圆柱圆柱面的长度，缠绕第二层的时候，其覆盖内衬圆柱圆柱面的长度将缩短，此后的缠绕层依次缩短，缩短的距离必须符合以下要求：圆柱端部逐层缩短的环向缠绕构成二个端部过渡段，所述二个端部过渡段分别与局部椭圆构成一个完整的标准椭圆曲面。
所述连续缠绕轴向纤维层，纤维轴向缠绕按照平面缠绕法逐层连续缠绕，缠绕角度为5°～15°，缠绕到设定的厚度。
所述封头的另一端中心处也开有相同开口。
所述封头的另一端中心处设置缠绕定位圆柱。
所述连续缠绕环向纤维层和连续缠绕轴向纤维层的纤维为增强碳纤维、增强玻璃纤维、增强芳纶纤维或硼纤维，以上纤维分别和固化剂树脂固化形成复合材料增强层。
所述内衬层的材料为铝合金、不锈钢或工程塑料。
与背景技术相比，本发明具有的有益效果是：
1) 传统缠绕方法由于碳纤维复合材料高压容器的封头上纤维分布是不均匀的，即在靠近封头极孔位置的厚度最厚，而靠近封头边缘区域的纤维分布最薄而强度最低，为了加强该区域的强度，采用螺旋缠绕方法加强该过渡段。由于本发明采用内衬结构和缠绕方法的优化，使气瓶的螺旋缠绕层得以省掉，可以进一步减轻气瓶的质量20%。
2)由于对封头与圆柱连接处的过渡段内衬进行了改变，采用了变强度变刚度新加强方法，使该过渡段的强度得到保证。
附图说明
图1是本发明的一种结构整体剖视图。
图2是发明的端部过渡段放大图。
图3是纤维缠绕角度与环向强度关系图。
图中：1、端部过渡段，2、环向纤维层，3、内衬层，4、轴向纤维层，5、局部椭圆，6、内衬圆柱，7、缠绕定位圆柱，8、开口。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。
如图1、图2所示，本发明的高压气瓶的内衬层3由内衬圆柱6和内衬圆柱6两端的局部椭圆5的封头组成；该局部椭圆5的长轴长度2a为内衬圆柱6内径D加上两倍环向纤维层2厚度和两倍内衬层3厚度之和；该局部椭圆的短轴长度2b为局部椭圆长轴长度2a的一半；内衬层3的局部椭圆5与内衬圆柱6相交于内衬圆柱6内直径为D处；内衬圆柱6的两端封头具有相同的形状，构成一个封闭的内衬层3，封头的一端中心处开有开口8；内衬圆柱6外面连续缠绕环向纤维层2到设定的厚度，然后连续缠绕轴向纤维层4到设定的厚度，完成复合材料气瓶的缠绕。
如图2所示，所述连续缠绕环向纤维层2，是连续一次缠绕完成，在缠绕第一层的时候，覆盖整个气瓶内衬圆柱6圆柱面的长度，缠绕第二层的时候，其覆盖内衬圆柱6圆柱面的长度将缩短，此后的缠绕层依次缩短，缩短的距离必须符合以下要求：圆柱端部逐层缩短的环向缠绕构成二个端部过渡段1，所述二个端部过渡段1分别与局部椭圆5构成一个完整的标准椭圆曲面。
如图2所示，传统内衬的封头结构如图中虚线所示，其过渡区的加强需要螺旋缠绕来实现。经过优化设计后，内衬的封头与圆柱在连接过渡处做了改变，使圆柱段的二端部有一个环向过渡加强段，即端部过渡段，这个过渡加强段与部分椭圆构成一个新的完整的标准椭圆曲面，并与环向纤维层一起形成一个新的“内衬”，在这个新的“内衬”外面进行轴向纤维层的缠绕。
所述连续缠绕轴向纤维层4，纤维轴向缠绕按照平面缠绕法逐层连续缠绕，缠绕角度为5°～15°，缠绕到设定的厚度。
所述封头的另一端中心处也开有相同开口8。
所述封头的另一端中心处设置缠绕定位圆柱7。
所述连续缠绕环向纤维层2和连续缠绕轴向纤维层4的纤维为增强碳纤维、增强玻璃纤维、增强芳纶纤维或硼纤维，以上纤维分别和固化剂树脂固化形成复合材料增强层。
所述内衬层3的材料为铝合金、不锈钢或工程塑料。
如图3所示，纤维的不同缠绕角度θ在环向强度的转化率，当纤维缠绕角度θ为90°或者接近90°时即为环向缠绕；当纤维缠绕角度θ为0°或者θ非常小时即为轴向缠绕。
具体实施例
按照本发明的方法，以80MPa的设计压力气瓶为例，气瓶内直径D为150mm，圆柱段长度400mm，以T700为缠绕纤维，抗拉强度为4200MPa，纤维强度转化率一般取0.6，缠绕层的纤维体积分数为65%，理论上需要环向纤维3.8mm。如果轴向以5°的小角度缠绕，则轴向缠绕纤维为1.9mm。内衬厚度为2mm，椭圆形封头的长轴由150增加到161.6mm，由此可以计算封头最边缘处的纤维厚度从传统缠绕方法的1.9mm，增加到本发明的1.996mm，因此封头边缘处的轴向强度增加了5.26%，而环向应力则由于增加了从0到3.8mm不等的环向缠绕纤维，因此环向强度得到了不同程度的增加。

Claims (7)

1.一种变刚度变强度复合材料高压气瓶缠绕方法，其特征在于：其高压气瓶的内衬层（3）由内衬圆柱（6）和内衬圆柱（6）两端的局部椭圆（5）的封头组成；该局部椭圆（5）的长轴长度为内衬圆柱（6）内径加上两倍环向纤维层（2）厚度和两倍内衬层（3）厚度之和；该局部椭圆的短轴长度为局部椭圆长轴长度的一半；内衬层（3）的局部椭圆（5）与内衬圆柱（6）相交于内衬圆柱（6）内直径处；内衬圆柱（6）的两端封头具有相同的形状，构成一个封闭的内衬层（3），封头的一端中心处开有开口（8）；内衬圆柱（6）外面连续缠绕环向纤维层（2）到设定的厚度，然后连续缠绕轴向纤维层（4）到设定的厚度，完成复合材料气瓶的缠绕。
2.根据权利要求1所述的一种变刚度变强度复合材料高压气瓶缠绕方法，其特征在于：所述连续缠绕环向纤维层（2），是连续一次缠绕完成，在缠绕第一层的时候，覆盖整个气瓶内衬圆柱（6）圆柱面的长度，缠绕第二层的时候，其覆盖内衬圆柱（6）圆柱面的长度将缩短，此后的缠绕层依次缩短，缩短的距离必须符合以下要求：圆柱端部逐层缩短的环向缠绕构成二个端部过渡段（1），所述二个端部过渡段（1）分别与局部椭圆（5）构成一个完整的标准椭圆曲面。
3.根据权利要求1所述的一种变刚度变强度复合材料高压气瓶缠绕方法，其特征在于：所述连续缠绕轴向纤维层（4），纤维轴向缠绕按照平面缠绕法逐层连续缠绕，缠绕角度为5°～15°，缠绕到设定的厚度。
4.根据权利要求1所述的一种变刚度变强度复合材料高压气瓶缠绕方法，其特征在于：所述封头的另一端中心处也开有相同开口（8）。
5.根据权利要求1所述的一种变刚度变强度复合材料高压气瓶缠绕方法，其特征在于：所述封头的另一端中心处设置缠绕定位圆柱（7）。
6.根据权利要求1所述的一种变刚度变强度复合材料高压气瓶缠绕方法，其特征在于：所述连续缠绕环向纤维层（2）和连续缠绕轴向纤维层（4）的纤维为增强碳纤维、增强玻璃纤维、增强芳纶纤维或硼纤维，以上纤维分别和固化剂树脂固化形成复合材料增强层。
7.根据权利要求1所述的一种变刚度变强度复合材料高压气瓶缠绕方法，其特征在于：所述内衬层（3）的材料为铝合金、不锈钢或工程塑料。
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