CN113446509A - 一种塑料内胆高压储氢罐的设计方法 - Google Patents

一种塑料内胆高压储氢罐的设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种塑料内胆高压储氢罐的设计方法，包括结构设计和工艺设计，所述结构设计工步包括塑料内胆的材料筛选和结构设计和碳纤维缠绕层的设计；所述工艺设计包括：(1)工艺规划；(2)试样制作；(3)切片取样；(4)碳纤维体积含量的评估：通过图像采集设别装置，对高压储氢罐的纵向剖切面进行图像采集，根据颜色差异设别出纵向剖切面上的碳纤维束部分和非碳纤维束部分，计算出碳纤维束截面部分的总面积占据整个纵向剖切面面积的比例，并将该比例作为碳纤维缠绕层内碳纤维体积含量平均值的评估数据；(5)碳纤维体积含量的分区域评估(6)工艺规划修正；本发明实现了塑料内胆高压储氢罐碳纤维缠绕层的设计优化和工艺优化。

Description

一种塑料内胆高压储氢罐的设计方法
技术领域
本发明涉及储氢罐设计技术领域，具体涉及一种塑料内胆高压储氢罐的设计方法。
背景技术
高压储氢瓶具有储氢容器结构简单、压缩氢气制备的能耗较少、灌装速度快等优点，已经成为氢能储运的主要方式。目前使用较多的高压储氢瓶复合内胆碳纤维全缠绕高压储氢罐，其是采用金属(常用的为铝合金)或塑料作为内胆，并在金属内胆或塑料内胆外面缠绕一层浸渍有环氧树脂的碳纤维，经固化后形成碳纤维缠绕层。这种结构的高压储氢瓶具有耐压强度、安全性较高等优势。
目前，在高压储氢罐的设计方法主要是采用网格理论和有限元分析方法。然而，由于高压储氢瓶结构的特殊性，目前的网格理论和有限元分析方法与实际情况存在较大的差异，特别是高压储氢罐上碳纤维缠绕层的设计方面更是如此，导致其对于高压储氢罐设计的指导作用还存在一定的局限性。
因此，探讨改进现有的高压储氢罐的设计方法，更好地对高压储氢罐的碳纤维缠绕层进行优化设计，从而更好地设计制造出较高质量、较低成本的高压储氢罐，是本领域技术人员迫切需要解决的技术问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种塑料内胆高压储氢罐的设计方法，旨在实现塑料内胆高压储氢罐碳纤维缠绕层的设计优化和工艺优化，从而更好地设计制造出较高质量、较低成本的高压储氢罐。具体的技术方案如下：
一种塑料内胆高压储氢罐的设计方法，依次包括如下步骤：
S1、结构设计，其包括如下结构设计工步：
(1)设计条件的获取：获取储氢罐的储氢容积、工作压力范围、使用温度范围、充放气循环次数、工作年限数据；
(2)塑料内胆的材料筛选和结构设计：选取市场上典型的几种塑料内胆材料，分别制作材料式样，并对材料式样进行力学性能测试和失效模式评估，根据力学性能测试和失效模式评估结果优选出塑料内胆的材料，并设计出塑料内胆的结构型式和尺寸；
(3)金属阀体的设计：根据塑料内胆的结构型式和尺寸，设计出与塑料内胆的结构相匹配的金属阀体；
(4)碳纤维缠绕层的设计：采用网格理论和有限元分析软件，设计碳纤维缠绕层，确定碳纤维缠绕层的缠绕方式、缠绕角度和缠绕层数，得到碳纤维缠绕层的厚度，从而设计出塑料内胆碳纤维缠绕高压储氢罐；
S2、工艺设计，其包括如下工艺设计工步：
(1)工艺规划：根据塑料内胆碳纤维缠绕高压储氢罐的设计图纸，制定工艺规划；所述工艺规划中规定了在碳纤维缠绕时的碳纤维缠绕张力控制方案；
(2)试样制作：制作出塑料内胆和金属阀体，塑料内胆和金属阀体进行组装连接；将组装后的塑料内胆通过定位芯轴装夹在湿法碳纤维缠绕设备上，将浸渍有环氧树脂液的碳纤维缠绕在塑料内胆和金属阀体外表面，固化后形成碳纤维缠绕层，从而制作出塑料内胆碳纤维缠绕高压储氢罐的式样；其中，所述湿法碳纤维缠绕设备中所使用的环氧树脂胶液为透明环氧树脂胶液；
(3)切片取样：使用切削机床，对高压储氢罐的试样进行纵向剖切；
(4)碳纤维体积含量的评估：通过图像采集设别装置，对高压储氢罐的纵向剖切面进行图像采集，根据颜色差异设别出纵向剖切面上的碳纤维束部分和非碳纤维束部分，计算出碳纤维束截面部分的总面积占据整个纵向剖切面面积的比例，并将该比例作为碳纤维缠绕层内碳纤维体积含量平均值的评估数据；
(5)碳纤维体积含量的分区域评估：将高压储氢罐的纵向剖切面划分为若干个网格区域，计算出各网格区域上的碳纤维束截面部分的总面积占据该网格区域面积的比例，并将该比例作为该网格区域碳纤维体积含量的评估数据；
(6)工艺规划修正：将各网格区域碳纤维体积含量的评估数据与碳纤维体积含量平均值的评估数据进行比较，找出碳纤维体积含量过小的区域和过大的区域，从而制定出碳纤维缠绕张力控制方案的修正案，所述碳纤维缠绕张力控制方案的修正案如下：在原碳纤维缠绕张力控制方案的基础上，针对碳纤维体积含量过小的区域，在碳纤维束缠绕时适当增大碳纤维束的缠绕张力；针对碳纤维体积含量过大的区域，在碳纤维束缠绕时适当减小碳纤维束的缠绕张力；从而使得碳纤维缠绕层内各处的碳纤维体积含量趋向均衡一致。
作为本发明的进一步改进，所述工艺设计工步(6)中，还同时判断碳纤维缠绕层内的碳纤维体积含量平均值是否在预先设定的正常范围之内，在碳纤维体积含量平均值过小情况下，在制定缠绕张力修正值时再另外增加一个预定的张力；在碳纤维体积含量平均值过大情况下，在制定缠绕张力修正值时再另外减少一个预定的张力。
作为本发明的更进一步改进，所述碳纤维缠绕张力控制方案的修正案中设置有碳纤维束缠绕张力的合理范围值；当无法在碳纤维束缠绕张力的合理范围值进行张力调节以实现碳纤维缠绕层内各处的碳纤维体积含量的均衡一致时，进行结构设计的修正，从而形成结构设计的修正案；所述结构设计的修正案如下：针对碳纤维体积含量过大的部位而又无法在张力的合理范围值内调整张力时，适当减少碳纤维体积含量过大部位的碳纤维缠绕层的设计厚度；针对碳纤维体积含量过小的部位而又无法在张力的合理范围值内调整张力时，适当增加碳纤维体积含量过小部位的碳纤维缠绕层的设计厚度。
本发明的所述工艺设计工步(2)的试样制作过程中，用于装夹塑料内胆的定位芯轴为具有防内凹结构的定位芯轴，所述防内凹结构的定位芯轴包括芯轴和设置在所述芯轴上的一对盘形气囊，所述定位芯轴的一端设置有连通所述盘形气囊的用于抽气和充气的抽充气通道。被抽气后所述盘形气囊被收缩在定位芯轴的环形槽内，从而方便了定位芯轴插入塑料内胆中；被充气后所述盘形气囊外圆承托住塑料内胆的内壁，从而起到在碳纤维缠绕时防止塑料内胆内凹的作用。
优选的，本发明的试样制作工艺设计工步(2)中所使用的具有防内凹结构的定位芯轴可直接作为正式生产塑料内胆高压储氢罐产品的工装。
为了实现本发明的设计方法中碳纤维缠绕时张力的渐变控制，所述湿法碳纤维缠绕设备上设置有渐变张力器，通过所述渐变张力器实现碳纤维缠绕时的张力增大或减小。
优选的，所述渐变张力器包括通过独立定滑轮挂载在碳纤维束上的重力块、设置在所述重力块下方通过第一伺服电机驱动的同步升降台、设置在所述同步升降台上通过第二伺服电机驱动的升降座、设置在所述升降座上的拉力传感器，所述拉力传感器通过拉紧弹簧与所述重力块相连接；所述同步升降台上设置有用于测量所述同步升降台与所述重力块之间间距的间距检测传感器，所述拉力传感器、间距检测传感器、第一伺服电机、第二伺服电机分别连接所述张力控制系统；所述张力控制系统通过设置在所述重力块下方的高度检测传感器跟踪所述重力块的高度位置，并通过所述第一伺服电机实现所述同步升降台与所述重力块的同步升降，所述张力控制系统通过所述第二伺服电机实现所述拉紧弹簧对于所述重力块的渐变拉紧力的控制。
本发明的有益效果是：
第一，本发明的一种塑料内胆高压储氢罐的设计方法，结构设计与工艺设计相互协同，利用工艺设计方法中的切片分析结果既实现了碳纤维缠绕张力控制方案的修正，又对高压储氢罐碳纤维缠绕层厚度的优化设计提供了修正反馈信息。由此保证了设计制造后的塑料内胆高压储氢罐碳纤维缠绕层的设计优化和工艺优化，从而可以在保证高压储氢罐碳质量的基础上，最大限度减少碳纤维材料的用量，降低制造成本。
第二，本发明的一种塑料内胆高压储氢罐的设计方法，特殊设计的张力控制器可以实现变张力控制，从而能够适应碳纤维束缠绕的不同张力要求；例如，在缠绕时控制张力逐步较少，或者在缠绕某些特殊部位时给予特定的张力等。由此可以改善碳纤维束缠绕层的应力分布情况，实现碳纤维体积密度的均匀化，从而提高碳纤维束缠绕层的使用性能。
第三，本发明的一种塑料内胆高压储氢罐的设计方法，采用防内凹结构的定位芯轴，可以克服塑料内胆刚性不足、碳纤维缠绕时受张力影响使得内胆失稳和向内凹陷的弊端。
附图说明
图1是本发明的一种塑料内胆高压储氢罐的设计方法的示意图；
图2是塑料内胆高压储氢罐的结构示意图；
图3是本发明中所使用的碳纤维缠绕设备的结构示意图；
图4图3中碳纤维缠绕设备中设置渐变张力器的结构示意图(立式剖视图)。
图中：1、塑料内胆，2、金属阀体，3、芯轴，3-1、盘形气囊，3-2、抽充气通道，3-3、环形槽，4、碳纤维缠绕设备，5、旋转装置，6、碳纤维缠绕层，7、可换式防撞保护装置，8、中间套筒，9、带中心孔端盖，10、互通槽，11、抽真空接口及连接阀，12、真空度传感器，13、直线往复移动机构，14、环氧树脂碳浸渍槽，15、碳纤维放线卷盘，16、浸渍区，17、张力控制区，18、机架，19、定滑轮，20、水平联动杆，21、动滑轮，22、联动动滑轮，23、独立动滑轮，24、重力块，25、浮动控制杆，26、电动升降机构，27、挤胶装置，28、高度检测传感器，29、进线速度调节装置，30、第一伺服电动推杆，31、压力传感器，32、弹性气囊，33、第二伺服电动推杆，34、渐变张力器，35、拉力传感器，36、同步升降台，37、隔板，38、升降座，39、拉紧弹簧，40、螺钉，41、出线定滑轮，42、进线定滑轮，43、间距检测传感器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例1：
如图1至4所示为本发明的一种塑料内胆高压储氢罐的设计方法的实施例，依次包括如下步骤：
S1、结构设计，其包括如下结构设计工步：
(1)设计条件的获取：获取储氢罐的储氢容积、工作压力范围、使用温度范围、充放气循环次数、工作年限数据；
(2)塑料内胆的材料筛选和结构设计：选取市场上典型的几种塑料内胆材料，分别制作材料式样，并对材料式样进行力学性能测试和失效模式评估，根据力学性能测试和失效模式评估结果优选出塑料内胆的材料，并设计出塑料内胆1的结构型式和尺寸；
(3)金属阀体的设计：根据塑料内胆1的结构型式和尺寸，设计出与塑料内胆1的结构相匹配的金属阀体2；
(4)碳纤维缠绕层的设计：采用网格理论和有限元分析软件，设计碳纤维缠绕层6，确定碳纤维缠绕层6的缠绕方式、缠绕角度和缠绕层数，得到碳纤维缠绕层6的厚度，从而设计出塑料内胆碳纤维缠绕高压储氢罐；
S2、工艺设计，其包括如下工艺设计工步：
(1)工艺规划：根据塑料内胆碳纤维缠绕高压储氢罐的设计图纸，制定工艺规划；所述工艺规划中规定了在碳纤维缠绕时的碳纤维缠绕张力控制方案；
(2)试样制作：制作出塑料内胆1和金属阀体2，塑料内胆1和金属阀体2进行组装连接；将组装后的塑料内胆1通过定位芯轴3装夹在湿法碳纤维缠绕设备4上，将浸渍有环氧树脂液的碳纤维缠绕在塑料内胆1和金属阀体2外表面，固化后形成碳纤维缠绕层6，从而制作出塑料内胆碳纤维缠绕高压储氢罐的式样；其中，所述湿法碳纤维缠绕设备4中所使用的环氧树脂胶液为透明环氧树脂胶液；
(3)切片取样：使用切削机床，对高压储氢罐的试样进行纵向剖切；
(4)碳纤维体积含量的评估：通过图像采集设别装置，对高压储氢罐的纵向剖切面进行图像采集，根据颜色差异设别出纵向剖切面上的碳纤维束部分和非碳纤维束部分，计算出碳纤维束截面部分的总面积占据整个纵向剖切面面积的比例，并将该比例作为碳纤维缠绕层6内碳纤维体积含量平均值的评估数据；
(5)碳纤维体积含量的分区域评估：将高压储氢罐的纵向剖切面划分为若干个网格区域，计算出各网格区域上的碳纤维束截面部分的总面积占据该网格区域面积的比例，并将该比例作为该网格区域碳纤维体积含量的评估数据；
(6)工艺规划修正：将各网格区域碳纤维体积含量的评估数据与碳纤维体积含量平均值的评估数据进行比较，找出碳纤维体积含量过小的区域和过大的区域，从而制定出碳纤维缠绕张力控制方案的修正案，所述碳纤维缠绕张力控制方案的修正案如下：在原碳纤维缠绕张力控制方案的基础上，针对碳纤维体积含量过小的区域，在碳纤维束缠绕时适当增大碳纤维束的缠绕张力；针对碳纤维体积含量过大的区域，在碳纤维束缠绕时适当减小碳纤维束的缠绕张力；从而使得碳纤维缠绕层内各处的碳纤维体积含量趋向均衡一致；
作为本实施例的进一步改进，所述工艺设计工步(6)中，还同时判断碳纤维缠绕层6内的碳纤维体积含量平均值是否在预先设定的正常范围之内，在碳纤维体积含量平均值过小情况下，在制定缠绕张力修正值时再另外增加一个预定的张力；在碳纤维体积含量平均值过大情况下，在制定缠绕张力修正值时再另外减少一个预定的张力。
作为本实施例的更进一步改进，所述碳纤维缠绕张力控制方案的修正案中设置有碳纤维束缠绕张力的合理范围值；当无法在碳纤维束缠绕张力的合理范围值进行张力调节以实现碳纤维缠绕层内各处的碳纤维体积含量的均衡一致时，进行结构设计的修正，从而形成结构设计的修正案；所述结构设计的修正案如下：针对碳纤维体积含量过大的部位而又无法在张力的合理范围值内调整张力时，适当减少碳纤维体积含量过大部位的碳纤维缠绕层的设计厚度；针对碳纤维体积含量过小的部位而又无法在张力的合理范围值内调整张力时，适当增加碳纤维体积含量过小部位的碳纤维缠绕层的设计厚度。
本实施例的所述工艺设计工步(2)的试样制作过程中，用于装夹塑料内胆1的定位芯轴为具有防内凹结构的定位芯轴，所述防内凹结构的定位芯轴包括芯轴3和设置在所述芯轴3上的一对盘形气囊3-1，所述定位芯3轴的一端设置有连通所述盘形气囊3-1的用于抽气和充气的抽充气通道3-2。被抽气后所述盘形气囊3-1被收缩在定位芯轴3的环形槽3-3内，从而方便了定位芯轴3插入塑料内胆1中；被充气后所述盘形气囊3-1外圆承托住塑料内胆1的内壁，从而起到在碳纤维缠绕时防止塑料内胆1内凹的作用。
优选的，本实施例的试样制作工艺设计工步(2)中所使用的具有防内凹结构的定位芯轴可直接作为正式生产塑料内胆高压储氢罐产品的工装。
为了实现本实施例的设计方法中碳纤维缠绕时张力的渐变控制，所述湿法碳纤维缠绕设备4上设置有渐变张力器34，通过所述渐变张力器34实现碳纤维缠绕时的张力增大或减小。
优选的，所述渐变张力器34包括通过独立定滑轮23挂载在碳纤维束上的重力块24、设置在所述重力块24下方通过第一伺服电机(图中未表示出)驱动的同步升降台36、设置在所述同步升降台36上通过第二伺服电机(图中未表示出)驱动的升降座38、设置在所述升降座38上的拉力传感器35，所述拉力传感器35通过拉紧弹簧39与所述重力块24相连接；所述同步升降台36上设置有用于测量所述同步升降台36与所述重力块24之间间距的间距检测传感器43，所述拉力传感器35、间距检测传感器43、第一伺服电机、第二伺服电机分别连接所述张力控制系统；所述张力控制系统通过设置在所述重力块24下方的高度检测传感器28跟踪所述重力块24的高度位置，并通过所述第一伺服电机实现所述同步升降台36与所述重力块24的同步升降，所述张力控制系统通过所述第二伺服电机实现所述拉紧弹簧39对于所述重力块24的渐变拉紧力的控制。
实施例2：
为了更好的理解对本发明，对于上述实施例1中带有渐变张力器的碳纤维缠绕设备进一步介绍如下：
采用实施例1的湿法碳纤维缠绕设备制作塑料内胆高压储氢罐的步骤如下：
(1)内胆制作：采用高密度聚乙烯为原料，制作塑料内胆1；
(2)阀体装配：塑料内胆1两端开孔部安装连接好金属阀体2，所述金属阀体2的内孔与所述塑料内胆1的收口部外圆采用螺纹连接，所述金属阀体2的端面与塑料内胆1的收口部台阶端面之间的连接为热融合连接；
(3)装夹：塑料内胆1两端使用芯轴3进行定位，装夹在碳纤维缠绕设备4的旋转装置5上；
(4)碳纤维缠绕：采用湿法碳纤维缠绕设备4，将浸渍有环氧树脂液的碳纤维缠绕在塑料内胆1和金属阀体2外表面，形成一层碳纤维缠绕层6；
(5)固化：将带有碳纤维缠绕层6的塑料内胆1置于固化干燥室内，进行固化干燥；
(6)保护套设置：在碳纤维缠绕层6的外表面安装可换式防撞保护装置7；所述可换式防撞保护装置7包括外套在所述碳纤维缠绕层6外表面的中间套筒8和连接在所述中间套筒8两端的带中心孔端盖9；所述中间套筒8为弹性橡胶中间套筒，所述带中心孔端盖9为弹性橡胶带中心孔端盖，所述带中心孔端盖9的中心孔外套在所述金属阀体2外圆上。
优选的，所述带中心孔端盖9与所述中间套筒8之间密封连接，所述带中心孔端盖9的中心孔与所述金属阀体2外圆之间密封连接，所述中间套筒8的内壁上、所述带中心孔端盖9的内壁上分别设置有纵横交错相互连通的互通槽10；所述带中心孔端盖9上分别设置有用于对所述互通槽10进行抽真空的抽真空接口及连接阀11、用于监测所述互通槽10内真空度情况的真空度传感器12。
其中，所述湿法碳纤维缠绕设备4包括旋转装置5、直线往复移动机构13、环氧树脂碳浸渍槽14和若干数量的碳纤维放线卷盘15，所述环氧树脂碳浸渍槽15设置在直线往复移动机构13上，所述环氧树脂碳浸渍槽15内按照碳纤维束的前进方向依次设置有浸渍区16和张力控制区17，在所述环氧树脂碳浸渍槽15的张力控制区17设置有机架18，所述机架18上设置有若干数量的张力控制组件，每一张力控制组件对应连接一束碳纤维，所述每一张力控制组件包括按照碳纤维束的前进方向依次设置在所述张力控制区17的机架18上的第1个至第N个间隔布置的定滑轮19、设置在所述第1个至第N-1个所述定滑轮19下方的一根可上下浮动的水平联动杆20、设置在相邻两个所述定滑轮19中间下方位置的动滑轮21，所述动滑轮21包括位于第1个至第N-1个定滑轮19中的相邻定滑轮19中间下方位置的N-2个联动动滑轮22和位于第N-1个定滑轮19与第N个定滑轮19中间下方位置的一个独立动滑轮23，所述N-2个联动动滑轮22连接在同一所述水平联动杆20上以实现同步上下浮动，所述独立动滑轮23上挂载有重力块24，所述水平联动杆20的中间垂直连接有浮动控制杆25，所述浮动控制杆24连接在电动升降机构26上以实现所述水平联动杆20的上下浮动；从所述碳纤维放线卷盘15放出的碳纤维束按照碳纤维束的前进方向依次交替经过所述定滑轮19和所述动滑轮21后缠绕连接至所述塑料内胆1上；在所述独立动滑轮23上挂载的重力块24下方设置有用于检测重力块24高度位置的高度检测传感器28。
本实施的附图中其N＝5。
本实施例中，所述环氧树脂碳浸渍槽14的浸渍区16上部位置设置有出线定滑轮41，所述出线定滑轮41上设置有挤胶装置27；所述环氧树脂碳浸渍槽14的浸渍区16上部位置设置有进线定滑轮42，所述进线定滑轮42上设置有进线速度调节装置29。
优选的，所述挤胶装置27包括第一伺服电动推杆30、设置在所述第一伺服电动推杆30的伸缩杆前端的压力传感器31和设置在压力传感器31前端的弹性气囊32，所述挤胶装置27的弹性气囊32与所述出线定滑轮41相接触，所述碳纤维束位于所述弹性气囊32与所述出线定滑轮41之间。
优选的，所述进线速度调节装置29包括第二伺服电动推杆33、设置在所述第二伺服电动推杆33的伸缩杆前端的压力传感器31和设置在压力传感器31前端的弹性气囊32，所述碳纤维束靠接在所述进线定滑轮42上且位于所述进线定滑轮42与所述进线速度调节装置29的弹性气囊32之间。
优选的，位于所述挤胶装置27上的弹性气囊32为回转式弹性气囊，位于所述进线速度调节装置29上的弹性气囊32为固定式弹性气囊。
利用所述回转式弹性气囊32与出线定滑轮41之间的滚动挤压实现低滚动摩擦下的挤胶作用；通过调整固定式弹性气囊32与进线定滑轮42之间压力，实现碳纤维束与固定式弹性气囊32之间的滑动摩擦力调节以控制碳纤维束的进线速度。
本实施例中，所述电动升降机构26、高度检测传感器28、第一伺服电动推杆30、第二伺服电动推杆、压力传感器31分别连接张力控制系统；所述步骤(4)的碳纤维缠绕工序中，通过所述张力控制系统实现碳纤维束的自适应放线、碳纤维束的挤胶均匀控制、碳纤维束的张力控制的相互协同。
优选的，所述高度检测传感器28为红外测距传感器；所述张力控制系统为MCU控制器或PLC控制器。
本实施例中，所述张力控制系统实现碳纤维束的自适应放线、碳纤维束的挤胶均匀控制、碳纤维束的张力控制的相互协同作业的具体方法如下：
S1、碳纤维缠绕时，利用高度检测传感器28检测独立动滑轮23上挂载的重力块24高度，通过电动升降机构26调节水平联动杆20上联动动滑轮22的高度，使得独立动滑轮23的高度位置处在适中位置，从而实现碳纤维束的自适应放线；
S2、碳纤维缠绕时，利用挤胶装置27上的压力传感器31检测挤胶装置27上的弹性气囊32与碳纤维束、出线定滑轮41之间的接触压力，通过第一伺服电动推杆30调节弹性气囊32的接触压力至预先设定的值，从而实现碳纤维束的挤胶均匀控制；
S3、碳纤维缠绕时，利用独立动滑轮23上挂载的重力块24和连接所述重力块24的渐变张力器34实现对碳纤维束的张力控制。
碳纤维缠绕时，可通过所述渐变张力器34实现碳纤维缠绕过程中的张力渐变控制。例如，可以根据碳纤维束在塑料内胆1上的不同位置和缠绕的角度变化，进行不同位置和不同缠绕角度时的变张力控制。
渐变张力器34工作时，由张力控制系统通过间距检测传感器43动态监测重力块24与同步升降台36之间的相对距离，并根据相对距离的变化驱动第一伺服电机来调整同步升降台36的高度，从而始终保持同步升降台36与重力块24之间的间距恒定。与此同时，张力控制系统通过驱动第二伺服电机、拉力传感器35和拉紧弹簧39实时调整对于重力块24的拉紧力，从而可以实现碳纤维束缠绕过程中碳纤维束张力的逐渐变化。
优选的，所述间距检测传感器43为红外测距传感器。
本实施例中，所述电动升降机构26采用伺服电动推杆。
本实施例中，所述中间套筒8与所述带中心孔端盖9之间的连接止口之间涂以密封胶水并通过螺钉40进行密封固定；所述带中心孔端盖9的中心孔与塑料内胆1之间涂以密封胶水并通过紧配合进行密封固定。
本实施例中，储氢罐的外表面设置了可换式防撞保护装置7，一方面能够有效防止意外撞击对储氢罐的损伤，且可换式防撞保护装置7可以定期更换，由此提高了储氢罐的安全性。
本实施例中，可换式防撞保护装置7的中间套筒8和带中心孔端盖9的内表面设置有纵横交错的互通槽10，互通槽10内抽真空处理并通过真空度传感器12对储氢罐是否有泄露进行实时检测，由此进一步提高了储氢罐的安全性。另外，可换式防撞保护装置7自身失效时也能进行报警。
本实施例中，利用高度检测传感器28检测独立动滑轮23上挂载的重力块24高度，通过电动升降机构26调节水平联动杆20上联动动滑轮22的高度，使得独立动滑轮23的高度位置处在适中位置，从而实现碳纤维束的自适应放线。
本实施例中，利用挤胶装置27上的压力传感器31检测挤胶装置上的弹性气囊32与碳纤维束、出线定滑轮41之间的接触压力，通过第一伺服电动推杆30调节弹性气囊32的接触压力至预先设定的值，从而实现碳纤维束的挤胶均匀控制。
本实施例中，特殊设计的渐变张力器34可以实现变张力控制，从而能够适应碳纤维束缠绕的不同张力要求；例如，在缠绕时控制张力逐步较少，或者在缠绕某些特殊部位时给予特定的张力等。由此可以改善碳纤维束缠绕层6的应力分布情况，保证碳纤维在碳纤维缠绕层6中的体积含量，从而提高碳纤维束缠绕层6的使用性能。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种塑料内胆高压储氢罐的设计方法，其特征在于，依次包括如下步骤：
S1、结构设计，其包括如下结构设计工步：
(1)设计条件的获取：获取储氢罐的储氢容积、工作压力范围、使用温度范围、充放气循环次数、工作年限数据；
(2)塑料内胆的材料筛选和结构设计：选取市场上典型的几种塑料内胆材料，分别制作材料式样，并对材料式样进行力学性能测试和失效模式评估，根据力学性能测试和失效模式评估结果优选出塑料内胆的材料，并设计出塑料内胆的结构型式和尺寸；
(3)金属阀体的设计：根据塑料内胆的结构型式和尺寸，设计出与塑料内胆的结构相匹配的金属阀体；
(4)碳纤维缠绕层的设计：采用网格理论和有限元分析软件，设计碳纤维缠绕层，确定碳纤维缠绕层的缠绕方式、缠绕角度和缠绕层数，得到碳纤维缠绕层的厚度，从而设计出塑料内胆碳纤维缠绕高压储氢罐；
S2、工艺设计，其包括如下工艺设计工步：
(1)工艺规划：根据塑料内胆碳纤维缠绕高压储氢罐的设计图纸，制定工艺规划；所述工艺规划中规定了在碳纤维缠绕时的碳纤维缠绕张力控制方案；
(2)试样制作：制作出塑料内胆和金属阀体，塑料内胆和金属阀体进行组装连接；将组装后的塑料内胆通过定位芯轴装夹在湿法碳纤维缠绕设备上，将浸渍有环氧树脂液的碳纤维缠绕在塑料内胆和金属阀体外表面，固化后形成碳纤维缠绕层，从而制作出塑料内胆碳纤维缠绕高压储氢罐的式样；其中，所述湿法碳纤维缠绕设备中所使用的环氧树脂胶液为透明环氧树脂胶液；
(3)切片取样：使用切削机床，对高压储氢罐的试样进行纵向剖切；
(4)碳纤维体积含量的评估：通过图像采集设别装置，对高压储氢罐的纵向剖切面进行图像采集，根据颜色差异设别出纵向剖切面上的碳纤维束部分和非碳纤维束部分，计算出碳纤维束截面部分的总面积占据整个纵向剖切面面积的比例，并将该比例作为碳纤维缠绕层内碳纤维体积含量平均值的评估数据；
(5)碳纤维体积含量的分区域评估：将高压储氢罐的纵向剖切面划分为若干个网格区域，计算出各网格区域上的碳纤维束截面部分的总面积占据该网格区域面积的比例，并将该比例作为该网格区域碳纤维体积含量的评估数据；
(6)工艺规划修正：将各网格区域碳纤维体积含量的评估数据与碳纤维体积含量平均值的评估数据进行比较，找出碳纤维体积含量过小的区域和过大的区域，从而制定出碳纤维缠绕张力控制方案的修正案，所述碳纤维缠绕张力控制方案的修正案如下：在原碳纤维缠绕张力控制方案的基础上，针对碳纤维体积含量过小的区域，在碳纤维束缠绕时适当增大碳纤维束的缠绕张力；针对碳纤维体积含量过大的区域，在碳纤维束缠绕时适当减小碳纤维束的缠绕张力；从而使得碳纤维缠绕层内各处的碳纤维体积含量趋向均衡一致。
2.根据权利要求1所述的一种塑料内胆高压储氢罐的设计方法，其特征在于，所述工艺设计工步(6)中，还同时判断碳纤维缠绕层内的碳纤维体积含量平均值是否在预先设定的正常范围之内，在碳纤维体积含量平均值过小情况下，在制定缠绕张力修正值时再另外增加一个预定的张力；在碳纤维体积含量平均值过大情况下，在制定缠绕张力修正值时再另外减少一个预定的张力。
3.根据权利要求1所述的一种塑料内胆高压储氢罐的设计方法，其特征在于，所述碳纤维缠绕张力控制方案的修正案中设置有碳纤维束缠绕张力的合理范围值；当无法在碳纤维束缠绕张力的合理范围值进行张力调节以实现碳纤维缠绕层内各处的碳纤维体积含量的均衡一致时，进行结构设计的修正，从而形成结构设计的修正案；所述结构设计的修正案如下：针对碳纤维体积含量过大的部位而又无法在张力的合理范围值内调整张力时，适当减少碳纤维体积含量过大部位的碳纤维缠绕层的设计厚度；针对碳纤维体积含量过小的部位而又无法在张力的合理范围值内调整张力时，适当增加碳纤维体积含量过小部位的碳纤维缠绕层的设计厚度。
4.根据权利要求1所述的一种塑料内胆高压储氢罐的设计方法，其特征在于，所述工艺设计工步(2)的试样制作过程中，用于装夹塑料内胆的定位芯轴为具有防内凹结构的定位芯轴，所述防内凹结构的定位芯轴包括芯轴和设置在所述芯轴上的一对盘形气囊，所述定位芯轴的一端设置有连通所述盘形气囊的用于抽气和充气的抽充气通道。
5.根据权利要求4所述的一种塑料内胆高压储氢罐的设计方法，其特征在于，所述试样制作工艺设计工步(2)中所使用的具有防内凹结构的定位芯轴直接作为正式生产塑料内胆高压储氢罐产品的工装。
6.根据权利要求1所述的一种塑料内胆高压储氢罐的设计方法，其特征在于，所述湿法碳纤维缠绕设备上设置有渐变张力器，通过所述渐变张力器实现碳纤维缠绕时的张力增大或减小。
7.根据权利要求6所述的一种塑料内胆高压储氢罐的设计方法，其特征在于，所述渐变张力器包括通过独立定滑轮挂载在碳纤维束上的重力块、设置在所述重力块下方通过第一伺服电机驱动的同步升降台、设置在所述同步升降台上通过第二伺服电机驱动的升降座、设置在所述升降座上的拉力传感器，所述拉力传感器通过拉紧弹簧与所述重力块相连接；所述同步升降台上设置有用于测量所述同步升降台与所述重力块之间间距的间距检测传感器，所述拉力传感器、间距检测传感器、第一伺服电机、第二伺服电机分别连接所述张力控制系统；所述张力控制系统通过设置在所述重力块下方的高度检测传感器跟踪所述重力块的高度位置，并通过所述第一伺服电机实现所述同步升降台与所述重力块的同步升降，所述张力控制系统通过所述第二伺服电机实现所述拉紧弹簧对于所述重力块的渐变拉紧力的控制。
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