CN114413163A - 一种相交球壳内衬复合材料缠绕压力容器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种相交球壳内衬复合材料缠绕压力容器，该压力容器采用超薄的相交球壳形状的内衬，首先在内衬外表面环向缠绕复合材料预浸料，将其外表面缠绕为常规圆柱形状，再以常规缠绕方法交叉缠绕复合材料预浸料，最后补充环向缠绕复合材料预浸料，复合材料固化并经过高压自紧后，可以实现在内压作用下相交球壳内衬应力均匀，同时在零内压时超薄内衬不会失稳，达到以超薄内衬实现高周期疲劳寿命的目的。本发明可以在保证压力容器寿命要求的前提下，通过大幅度降低内衬重量，显著降低同等条件下压力容器的结构重量。

Description

一种相交球壳内衬复合材料缠绕压力容器
技术领域
本发明为一种新型复合材料压力容器结构，属于CNG-3型或CNG-4型压力容器，即金属或非金属内衬全纤维缠绕压力容器。
背景技术
CNG-3型、CNG-4型压力容器由金属或非金属内衬和复合材料缠绕层组成，其中内衬主要起到增大气密性和支撑复材缠绕的作用。对于CNG-3型金属内衬压力容器，由于内衬材料的疲劳性能一般远远不及复合材料，为保证压力容器的循环使用寿命，一般采用自紧方法，在压力容器出厂前施加高于设计压力的内压载荷，让金属内衬达到屈服硬化状态，压力卸载后受外层复合材料收缩影响，金属内衬处于压应力状态。这样在工作状态下，金属内衬处于平均应力接近于零的周期应力环境，大大提升了金属内衬的疲劳寿命。然而由于在零内压下金属内衬处于压应力状态，为了确保金属内衬不失稳，则需要较高的厚度。当前的长寿命CNG-3型压力容器的金属内衬重量往往接近总重量的50％。同时由于复合材料在零内压下处于拉应力状态，并没有充分发挥复合材料的高强度潜力，也会增大材料用量，增大压力容器结构重量。
本发明以巧妙的方法，利用了球壳结构应力分布均匀、外压稳定性好的优势，基于超薄相交球壳制作CNG-3型或CNG-4型压力容器内衬，在确保内衬稳定性、疲劳寿命指标的同时大大降低了材料消耗量，降低了压力容器结构重量。
发明内容
本发明主要解决含超薄内衬的复合材料缠绕压力容器的疲劳寿命和内衬失稳问题。
传统的CNG-3型复合材料压力容器，内衬厚度高，复合材料处于预拉伸状态，没有充分发挥复合材料的高强度潜力，结构重量偏高。如果内衬厚度不足，则容易发生内衬失稳现象，导致内衬的疲劳寿命不足。
本发明的有益效果是：采用超薄相交球壳内衬，大大降低了内衬重量，降低了复合材料的预拉伸应力。利用球壳结构外压失稳载荷高的优势，同时环向纤维也有增大内衬失稳载荷的效果，大幅提高了超薄球壳的外压失稳载荷，避免了失稳情况的发生。从而在不影响强度、疲劳寿命性能前提下，通过降低内衬厚度大幅减轻压力容器的重量。
参见附图1，本发明产品由相交球壳内衬(含加强环)、内缠绕层、中缠绕层、外缠绕层组成。
内衬的厚度以满足等直径、等厚度理想球壳失稳时压应力高于其材料疲劳寿命许用应力为准。对于CNC-3型压力容器，内衬为金属材料，对于CNC-4 型压力容器，内衬为非金属材料。
内衬结构各个球壳的球心距越大，内缠绕层最大厚度越高，内衬与内缠绕层组合体的外压失稳载荷越高，同时内衬的制造难度一般也越高。一般以满足内衬与内缠绕层组合体在外压失稳载荷下，内衬的应力高于其材料疲劳许用应力为准设计球心距。
为了提高内衬与内缠绕层的连接强度，各个球壳相交线外可以设有加强环，加强环通过增大与内缠绕层的粘接面积实现增大连接强度的作用。如果内缠绕层与内衬的连接强度足够，可以取消加强环。
内缠绕层和外缠绕层均为环向缠绕，其中内缠绕层以将相交球壳外表面缠绕为圆柱形为准，既可以提高环向刚度，也便于中缠绕层的施工。外缠绕层以使内压载荷下内衬层应力均匀化为准。如果中缠绕层足够厚，在内衬层应力足够均匀的前提下可以取消外缠绕层，或者减少外缠绕层规模。
中缠绕层是压力容器承载的主体，选用的材料、缠绕方法与常规复合材料全缠绕压力容器相同，但由于本发明中的内、外缠绕层均为环向缠绕，中缠绕层的缠绕角度需要适当调整，以满足压力容器的刚度、强度设计要求。
基于本发明制造CNG-3型金属内衬复合材料缠绕压力容器时，与传统 CNG-3型容器一样，也需要实施自紧操作，通过使金属内衬进入屈服状态而将其硬化，并提高其疲劳寿命。
附图说明
图1：相交球壳内衬复合材料缠绕压力容器剖面示意图
图2：典型的相交球壳内衬示意图
图3：内缠绕层缠绕完成后的示意图
图4：中缠绕层完成后的示意图
图5：外缠绕层完成后的示意图
其中：
①相交球壳内衬
②加强环
③内缠绕层
④中缠绕层
⑤外缠绕层
注意，为了便于说明，附图中的各层厚度均为示意，附图中适当放大了各层厚度与压力容器外径的比例。
具体实施方式
以图2为例，基于本发明制造CNG-3型金属内衬压力容器的过程如下：
1)首先制造一个超薄的相交球壳金属内衬。在工艺条件允许的前提下，应尽量接近理想的相交球壳几何结构。内衬的厚度以等直径、等厚度理想球壳的外压失稳应力大于材料疲劳应力许用值为准；内衬各个球壳的球心距以满足内衬与内缠绕层组合体在外压失稳载荷下，内衬的应力高于其材料疲劳许用应力为准。对于常用的铝合金材料，内衬厚度可以薄至其内径0.5％；本例中为了增强内衬与内缠绕层的连接强度，设置了加强环。
2)用含有预浸树脂的纤维束(下同)环向缠绕相交球壳外表面的沟槽，形成内缠绕层，缠绕完毕后得到一个外表面圆柱形的状态；
3)按照一般纤维缠绕压力容器的方法缠绕中缠绕层，注意缠绕角度要考虑内、外缠绕层环向纤维束的影响；
4)在外缠绕层的外侧，以环向缠绕形成外缠绕层，缠绕原则是内缠绕层厚度高的区域外缠绕层薄，反之，内缠绕层薄的区域外缠绕层厚，以确保内衬层在内压载荷作用下应力均匀为准；
5)纤维层固化，此步骤与传统CNG-3型、CNG-4型压力容器制造方法一致；
6)自紧强化，施加一个高于设计载荷的内压，使内衬进入塑性。此步骤与传统CNG-3型压力容器制造方法一致。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种相交球壳内衬复合材料缠绕压力容器结构。其特征包括：①内衬由薄壁相交球壳构成；②内衬材料选用密封性能好、延展性良好、冷作硬化后疲劳性能好的材料；③内衬外缠绕高强度纤维复合材料，缠绕层分为内、中、外三层；④内缠绕层和外缠绕层为环向缠绕；⑤内衬厚度显著小于复合材料缠绕总厚度；⑥在相交球壳相交线外可设置环向加强板。
2.根据权利要求1所述的由相交球壳结构构成的内衬，其特征在于：①由至少2个球壳相交组成，相交球壳数量不限；②球壳的球心距大于0且小于2倍半径，以在满足内衬外压失稳应力高于该材料疲劳寿命要求的应力为准，计算外压失稳时考虑内缠绕层环向纤维的加强作用；③各个球壳的半径相同，厚度相同；④各个球壳的球心间距相等，且共线；⑤为便于制造，允许合理调整相交球壳的局部尺寸、局部厚度等设计参数，但需要进行强度计算，确保达到强度、稳定性、疲劳寿命指标。
3.根据权利要求1所述的内衬壳体厚度，其特征在于：内衬厚度以等直径、等厚度理想球壳外压失稳应力高于该材料疲劳寿命要求的应力为准。对于常用的铝合金内衬材料，内衬厚度可低至球壳半径的0.5％。
4.根据权利要求1，内衬材料选用密封性能好、延展性良好、冷作硬化后疲劳性能好的材料，其特征在于：由于本发明使用的内衬厚度非常薄，材料密度不再是内衬材料的选材主要考虑因素，密封性能好、延展性良好、冷作硬化后疲劳性能好的材料包括但不限于铝合金、各种钢材、钛合金、铜合金等各种金属和非金属材料。
5.根据权利要求1，内衬外缠绕高强度纤维复合材料，其特征在于：①首先缠绕环向纤维形成内缠绕层，将内衬包裹为一个长圆柱体；②然后按照常规复合材料压力容器缠绕方法加厚复合材料层，形成中缠绕层；③如果复合材料层总厚度比较小，可能因为内缠绕层环向纤维轴向厚度分布不均匀而影响内衬应力分布，则需在最外层补充缠绕环向纤维，形成外缠绕层，缠绕厚度分布以保证内衬应力均匀为准；④如果中缠绕层厚度足够大，内衬应力分布满足疲劳寿命要求，可以取消外缠绕层；⑤由于内外缠绕层仅环向缠绕，较常规复合材料缠绕压力容器，中缠绕层需适当调整缠绕角度，保证整体环向和轴向的最佳刚度比例；⑥纤维材料可选用各种高强度纤维。
6.根据权利要求1，在相交球壳相交线外设置可环向加强板，其特征在于：①计算外压失稳时考虑内缠绕层环向纤维的加强作用；②要保证环向纤维与内衬的粘接强度，避免发生分层失稳，尤其是在球壳相交线附近的粘接强度，在球壳相交线外侧设置环向加强版，可增大纤维束与内衬的连接强度；③加强环板需要与内衬牢固连接；④在确保纤维与内衬连接强度的前提下，可以取消环向加强板。
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