CN114659017A - 全缠绕氢气瓶用铝合金内胆及气瓶试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种全缠绕氢气瓶用铝合金内胆及气瓶试验方法，包括中间圆筒段、封头及瓶嘴，封头包括与瓶嘴相连通的半球、与半球相连的过渡圆筒段及与过渡圆筒段相连的过渡筒段；所述过渡筒段的中空腔为锥形腔，锥形腔的大端面与中间圆筒段的端面对接，锥形腔的小端面与过渡圆筒段的端面对接。在半球的与过渡筒段之间设置过渡圆筒段，并使过渡圆筒段的厚度为中间圆筒段厚度的1.3～2.3倍，加大了对应力的承受能力，从而产品可靠性好、抗疲劳性好、使用寿命长。采用2～4个气瓶实际爆破压力平均值的0.6～0.75倍压力作为自紧压力进行气瓶自紧，解决了产品批次离散性造成自紧压力不足或过大而造成疲劳循环次数低的问题。
Description
技术领域
本发明属于全缠绕气瓶技术领域，具体涉及一种全缠绕氢气瓶用铝合金内胆及气瓶试验方法。
背景技术
车用压缩氢气铝内胆碳纤维全缠绕气瓶在使用过程中需要重复充装高压氢气，需要有良好的耐交变应力的疲劳性能，疲劳试验循环次数不小于11000次。为了获得良好的耐交变应力性能，需要对内胆结构进行仿真分析和优化设计，并进行疲劳试验研究，获得良好的耐交变应力的产品。
铝合金比重只有钢的34％，并且耐腐蚀性好。因此，全缠绕氢气瓶内胆首选铝合金材料。GB/T35544-2017《车用压缩氢气铝内胆碳纤维全缠绕气瓶》国家推荐标准规定内胆材料为6061铝合金。
铝内胆碳纤维全缠绕气瓶疲劳破坏的形式是铝合金内胆局部疲劳裂纹扩展到穿透内胆材料厚度，致使高压气体或液体泄漏。
铝内胆碳纤维全缠绕气瓶疲劳试验循环次数不仅与内胆的结构相关，而且与全缠绕气瓶的自紧工艺关系重大，在前期的产品研制过程中，全缠绕气瓶的水压爆破压力达到了设计工作压力的4倍，但疲劳试验循环次数只有6000余次，未达到标准要求的不小于11000次。为此，开展了提高全缠绕氢气瓶疲劳次数的仿真分析、解剖试验、优化设计和试验研究。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种抗疲劳性好、使用寿命长的全缠绕氢气瓶用铝合金内胆及气瓶试验方法。
为实现上述目的，本发明所设计的全缠绕氢气瓶用铝合金内胆，包括中间圆筒段、位于中间圆筒段两端的封头及布置在每个封头端部的瓶嘴，封头包括与瓶嘴相连通的半球、与半球相连的过渡圆筒段及与过渡圆筒段相连的过渡筒段；所述过渡筒段的中空腔为锥形腔，锥形腔的大端面与中间圆筒段的端面对接，锥形腔的小端面与过渡圆筒段的端面对接。
进一步地，所述半球的外径、过渡圆筒段的外径、过渡筒段的外径及中间圆筒段的外径均为d1，d1＝d5+2t1，d5为中间圆筒段的内径，t1为中间圆筒段的厚度。
进一步地，所述过渡圆筒段的长度为t4、厚度为t2，t2为1.3t1～2.3t1、t4为4t1～11t1。
进一步地，所述锥形腔的锥角α为16°～20°。
还提供一种全缠绕氢气瓶试验方法，所述全缠绕氢气瓶的内胆为权利要求1所述的铝合金内胆，全缠绕氢气瓶试验方法具体过程为：按照2～4个气瓶实际爆破压力平均值的0.6～0.75倍压力进行气瓶自紧后，进行疲劳循环试验，选取疲劳循环次数最多的自紧压力为产品的自紧压力。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)在半球的与过渡筒段之间设置过渡圆筒段，并使过渡圆筒段的厚度为中间圆筒段厚度的1.3～2.3倍，加大了对应力的承受能力，从而产品可靠性好、抗疲劳性好、使用寿命长；
2)采用2～4个气瓶实际爆破压力平均值的0.6～0.75倍压力作为自紧压力进行气瓶自紧，解决了产品批次离散性造成自紧压力不足或过大而造成疲劳循环次数低的问题。
附图说明
图1为本发明全缠绕氢气瓶用铝合金内胆结构示意图。
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详细说明。
全缠绕氢气瓶包括铝合金内胆和用于包裹铝合金内胆的碳纤维树脂固化缠绕层，经过仿真分析和解剖试验显示，等壁厚的铝合金内胆在气体或液体等均匀内压作用下，中间圆筒段与两端半球连接处具有应力集中，应力值最大，是全缠绕氢气瓶疲劳失效破坏的理论位置。因此，需再中间圆筒段与两端半球连接处附近一定范围内的壁厚进行加厚，从而提高铝合金内胆全缠绕氢气瓶的疲劳循环次数。如图1所述本发明铝合金内胆包括中间圆筒段3、位于中间圆筒段3两端的封头2及布置在每个封头2端部的瓶嘴1，封头2包括与瓶嘴1相连通的半球、与半球相连的过渡圆筒段及与过渡圆筒段相连的过渡筒段，半球的外径、过渡圆筒段的外径、过渡筒段的外径及中间圆筒段3的外径均为d1。过渡筒段的中空腔为锥形腔，锥形腔的大端面与中间圆筒段2的端面对接，锥形腔的小端面与过渡圆筒段的端面对接，且锥形腔的锥角α为16°～20°。
其中，d1＝d2+2t1，d2为中间圆筒段3的内径，t1为中间圆筒段的厚度；过渡圆筒段的长度为t3、厚度为t2，t2为1.3t1～2.3t1、t3为4t1～11t1。
铝合金内胆碳纤维全缠绕气瓶疲劳破坏的形式是铝合金内胆局部疲劳裂纹扩展到穿透内胆材料厚度，致使高压气体或液体泄漏。气瓶自紧是将气瓶在大于气瓶工作压力1.5倍以上进行水压保压试验，使气瓶内胆产生一定量的塑性变形，泄压后内胆在外层纤维的弹性拉紧力作用下产生一定量的压应力，内胆在气瓶工作压力下抵消一部分拉应力，降低内胆在工作压力下的实际拉应力，从而提高气瓶的疲劳循环次数。
气瓶的内胆性能、纤维性能、树脂性能以及实际的固化温度、固化时间都不尽相同，造成每批次的气瓶实际性能不尽相同，如果按照气瓶的理论工作压力或爆破压力进行自紧压力计算，自紧效果较差。在前期的产品研制过程中，全缠绕气瓶的水压爆破压力达到了设计工作压力的4倍，但疲劳试验循环次数只有6000余次，未达到标准要求的不小于11000次。因此，为了提高全缠绕氢气瓶的疲劳次数，铝合金内胆试验方法的具体过程为：按照2～4个气瓶实际爆破压力平均值的0.6～0.75倍压力进行气瓶自紧后，进行疲劳循环试验，选取疲劳循环次数最多的自紧压力为产品的自紧压力，以解决因自紧压力不足或自紧压力过大而造成疲劳循环次数低的问题。
实施例1
按照2个气瓶实际爆破压力平均值的0.6、0.65、0.7倍压力进行3个气瓶自紧后，进行疲劳循环试验，选取疲劳循环次数最多的自紧压力为产品的自紧压力。
实施例2
按照3个气瓶实际爆破压力平均值的0.65、0.7、0.75倍压力进行3个气瓶自紧后，进行疲劳循环试验，选取疲劳循环次数最多的自紧压力为产品的自紧压力。
实施例3
按照4个气瓶实际爆破压力平均值的0.6、0.7、0.75倍压力进行3个气瓶自紧后，进行疲劳循环试验，选取疲劳循环次数最多的自紧压力为产品的自紧压力。
上述实施例中产品自紧后可靠性好、抗疲劳性好、使用寿命长，实际疲劳循环次数为18000～22000。
Claims (5)
1.一种全缠绕氢气瓶用铝合金内胆，其特征在于：包括中间圆筒段(3)、位于中间圆筒段(3)两端的封头(2)及布置在每个封头(2)端部的瓶嘴(1)，封头(2)包括与瓶嘴(1)相连通的半球、与半球相连的过渡圆筒段及与过渡圆筒段相连的过渡筒段；所述过渡筒段的中空腔为锥形腔，锥形腔的大端面与中间圆筒段(2)的端面对接，锥形腔的小端面与过渡圆筒段的端面对接。
2.根据权利要求1所述全缠绕氢气瓶用铝合金内胆，其特征在于：所述半球的外径、过渡圆筒段的外径、过渡筒段的外径及中间圆筒段(3)的外径均为d1，d1＝d5+2t1，d5为中间圆筒段(3)的内径，t1为中间圆筒段的厚度。
3.根据权利要求1所述全缠绕氢气瓶用铝合金内胆，其特征在于：所述过渡圆筒段的长度为t4、厚度为t2，t2为1.3t1～2.3t1、t4为4t1～11t1。
4.根据权利要求1所述全缠绕氢气瓶用铝合金内胆，其特征在于：所述锥形腔的锥角α为16°～20°。
5.一种全缠绕氢气瓶试验方法，所述全缠绕氢气瓶的内胆为权利要求1所述的铝合金内胆，其特征在于：具体过程为：按照2～4个气瓶实际爆破压力平均值的0.6～0.75倍压力进行气瓶自紧后，进行疲劳循环试验，选取疲劳循环次数最多的自紧压力为产品的自紧压力。
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