CN116811290B - 一种ⅴ型全复合材料压力容器成型装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及特种设备加工成型领域，具体涉及一种Ⅴ型全复合材料压力容器成型装置及方法。包括半筒身模具，所述半筒身模具的筒身部分长度为所加工压力容器筒身长度的一半，半筒身模具的封头部分一端留有放置阀座的凹槽，另一端安装纤维分纱圈；半筒身模具与阀座通过花键连接，阀座和纤维分纱圈与纤维缠绕设备的旋转轴通过螺纹连接。本发明可制造完全由复合材料加工而成的无内胆压力容器，可减轻压力容器的质量，且不需对模具进行溶解取出，提高成型效率，降低成本，适用于各种直径、长度、封头结构的Ⅴ型全复合材料压力容器成型。
Description
技术领域
本发明涉及特种设备加工成型领域，具体涉及一种Ⅴ型全复合材料压力容器成型装置及方法。
背景技术
压力容器是用于存储和运输高压气体、液体的重要设备。目前，设计用于高压下储存液体和气体的压力容器和储罐的发展经历了四个不同的阶段：全金属压力容器（Ⅰ型），纤维复合材料环向缠绕金属内胆（Ⅱ型），纤维复合材料全缠绕金属内胆（Ⅲ型），纤维复合材料全缠绕塑料内胆（Ⅳ型），其中复合材料全缠绕压力容器在航空航天、交通运输等领域应用广泛，开发安全、轻质、高效的压力容器已成为一种重要的能源储运技术需求。而压力容器的第五个阶段——全复合材料的无内胆储罐（Ⅴ型），是指不含任何内胆、完全采用复合材料加工而成的压力容器，可进一步减轻压力容器的质量，然而没有内胆的情况下成型具有较大的挑战性，长期以来Ⅴ型压力容器一直被认为是压力容器行业产品和技术的制高点。当前，只有美国设计了可商用、全复合材料、无内胆的压力容器，其通过先制造一个可溶解的、与压力容器形状一致的内胆模具，然后在内胆模具上缠绕纤维复合材料，待复合材料固化完成后溶解内胆模具，成型Ⅴ型压力容器。这种方法成型效率较低，成本高。因此，有必要提出一种无需进行内胆模具溶解的全新Ⅴ型压力容器成型方法。
发明内容
本发明为了制造除阀座外完全由复合材料加工而成的压力容器，用于减轻压力容器的质量，且不需对模具进行溶解取出，提高成型效率，降低成本，提供一种Ⅴ型全复合材料压力容器成型装置及方法。
本发明采取以下技术方案：一种Ⅴ型全复合材料压力容器成型装置，包括半筒身模具，所述半筒身模具的筒身部分长度为所加工压力容器筒身长度的一半，半筒身模具的封头部分一端留有放置阀座的凹槽，另一端安装纤维分纱圈；半筒身模具与阀座通过花键连接，阀座和纤维分纱圈与纤维缠绕设备的旋转轴通过螺纹连接。
在一些实施例中，纤维分纱圈圆周方向上阵列分布有分纱齿，纤维分纱圈环向固定在半筒身模具内侧，纤维分纱圈轴向加工有螺纹孔与纤维缠绕设备的旋转轴连接。
在一些实施例中，纤维分纱圈圆周方向上加工有通孔，半筒身模具的筒身内侧对应位置设置螺纹盲孔，通孔内设置有螺栓，通过螺栓与半筒身模具筒身内侧的螺纹盲孔固定连接。
一种Ⅴ型全复合材料压力容器成型方法，采用Ⅴ型全复合材料压力容器成型装置，包括以下步骤：
S100：根据压力容器的结构尺寸加工压力容器的半筒身模具和纤维分纱圈，连接半筒身模具与纤维分纱圈；
S200：将阀座放置在半筒身模具封头的凹槽内，阀座与纤维分纱圈分别固定在旋转轴上，在半筒身模具表面喷涂脱模剂，通过纤维缠绕设备缠绕复合材料薄层；
S300：将半筒身模具与复合材料薄层一同放入固化设备进行复合材料固化；待复合材料固化完成后，取下阀座以及固化好的半筒身复合材料薄层；
S400：重复步骤S200、S300，加工另一个半筒身复合材料薄层，在两个半筒身复合材料薄层内壁分别喷涂防腐防渗透涂层；
S500：连接两个半筒身复合材料薄层形成全筒身复合材料薄层；
S600：对全筒身复合材料薄层进行纤维全缠绕及复合材料固化，最终获得满足要求的全复合材料压力容器。
步骤S100中，阀座预留外螺纹与外部保护套连接，外部保护套为橡胶材料。
步骤S200中，根据缠绕纤维纱束的宽度选择纤维分纱圈分纱齿的间隔距离，分纱齿的间隔距离等于缠绕纤维纱束的宽度，螺旋缠绕的纤维纱束通过纤维分纱圈分隔；
复合材料薄层的缠绕层数通过以下公式计算，
式中，为复合材料薄层的缠绕层数，/>为筒身段螺旋缠绕层厚度，/>为筒身段环向缠绕层厚度，/>为螺旋缠绕纤维单层厚度。
步骤S300中，复合材料固化完成后阀座与复合材料薄层之间通过树脂连接，在沿半筒身模具与纤维分纱圈的连接凹槽切除纤维分纱圈上多余纤维复合材料，将阀座及半筒身复合材料薄层由筒身到封头方向取出。
步骤S500中，首先将两个半筒身复合材料薄层的连接表面打磨成楔形，再采用表面处理剂对半筒身复合材料薄层的连接表面进行处理，最后通过胶接使两个半筒身复合材料薄层连接成全筒身复合材料薄层。
步骤S600中，对全筒身复合材料薄层进行纤维全缠绕及复合材料固化之前，首先在全筒身复合材料薄层内加入可充气的弹性材料气囊，并向弹性材料气囊内充入安全气体，使弹性材料气囊作为全筒身复合材料薄层的辅助支撑；
在纤维全缠绕过程以及复合材料固化过程中，使弹性材料气囊保持压力，在复合材料固化完成后，对弹性材料气囊抽真空并取出弹性材料气囊。
步骤S600中，纤维全缠绕的层数通过以下公式计算:
式中，m为螺旋缠绕层数，n为环向缠绕层数，为螺旋缠绕纤维单层厚度，为环向缠绕纤维单层厚度，/>为筒身段螺旋缠绕层厚度，/>为筒身段环向缠绕层厚度，R为半筒身模具外轮廓半径，/>为压力容器设计爆破压强，K为纤维强度利用系数，为纤维拉伸强度，/>为筒身段螺旋缠绕角，/>为阀座的圆柱段外轮廓半径。
与现有技术相比，本发明提出一种全新的复合材料压力容器成型装置及方法，本发明可制造完全由复合材料加工而成的无内胆压力容器，可减轻压力容器的质量，且不需对模具进行溶解取出，提高成型效率，降低成本，适用于各种直径、长度、封头结构的Ⅴ型全复合材料压力容器成型。
附图说明
图1为本发明一种Ⅴ型全复合材料压力容器成型方法的示意图；
图2为本发明半筒身模具结构示意图；
图3为本发明阀座结构示意图；
图4为本发明的纤维分纱圈结构示意图；
图5为本发明的复合材料薄层缠绕前的结构安装示意图；
图6为本发明的复合材料薄层缠绕状态示意图；
图7为本发明的纤维分纱圈上多余复合材料切除示意图、阀座和半筒身复合材料薄层取出示意图；
图8为本发明的半筒身复合材料薄层结构示意图；
图9为本发明的半筒身复合材料薄层内壁喷涂防腐防渗透涂层示意图；
图10为本发明的两个半筒身复合材料薄层连接示意图；
图11为本发明的全筒身复合材料薄层内加入可充气耐高温的弹性材料气囊示意图；
图12为本发明的全复合材料压力容器结构示意图；
图中：1-半筒身模具；2-阀座；3-纤维分纱圈；3.1-分纱齿；4-复合材料薄层；4.1-半筒身复合材料薄层；4.2-纤维分纱圈上多余复合材料；5-切割刀具；6-防腐防渗透涂层；7-连接表面；8-全筒身复合材料薄层；9-弹性材料气囊；10-纤维全缠绕层；11-外部保护套；12-旋转轴。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
本发明一种Ⅴ型全复合材料压力容器成型装置及方法。如图5、6所示，其装置包括半筒身模具1，所述半筒身模具1的筒身部分长度为所加工压力容器筒身长度的一半，半筒身模具1的封头部分一端留有放置阀座2的凹槽，另一端安装纤维分纱圈3；半筒身模具1与阀座2通过花键连接，阀座2和纤维分纱圈3与纤维缠绕设备的旋转轴12通过螺纹连接。
纤维分纱圈3圆周方向上阵列分布有分纱齿3.1，纤维分纱圈3环向固定在半筒身模具1内侧，纤维分纱圈3轴向加工有螺纹孔与纤维缠绕设备的旋转轴12连接。
纤维分纱圈3圆周方向上加工有通孔，半筒身模具1的筒身内侧对应位置设置螺纹盲孔，通孔内设置有螺栓，通过螺栓与半筒身模具1筒身内侧的螺纹盲孔固定连接。
如图1所示，其方法步骤为：
S100：根据压力容器的结构尺寸加工压力容器的半筒身模具1和纤维分纱圈3，连接半筒身模具1与纤维分纱圈3。
如图2所示，步骤S100所述的半筒身模具1的筒身部分长度为所加工压力容器筒身长度的一半，半筒身模具1的封头部分留有放置阀座2的凹槽，半筒身模具1与阀座2通过花键连接，阀座2与纤维缠绕设备的旋转轴12通过螺纹连接，所述阀座2结构如图3所示，半筒身模具1的筒身内侧含有螺纹盲孔；如图4所示，所述的纤维分纱圈3圆周阵列有分纱齿3.1，可根据缠绕纤维纱束的宽度选择分纱齿3.1的间隔距离，纤维分纱圈3圆周上加工有通孔，通过螺纹连接与半筒身模具1相连，纤维分纱圈3轴向加工有螺纹孔，可与纤维缠绕设备的旋转轴12连接。
S200：如图5所示，将阀座2放置在半筒身模具1封头的凹槽内，阀座2与纤维分纱圈3分别固定在旋转轴12上，对半筒身模具1表面喷涂脱模剂，通过纤维缠绕设备缠绕复合材料薄层4，根据缠绕纤维纱束的宽度选择纤维分纱圈3分纱齿3.1的间隔距离，分纱齿3.1的间隔距离等于缠绕纤维纱束的宽度，螺旋缠绕的纤维纱束通过纤维分纱圈3分隔。
步骤S200所述的通过纤维缠绕设备缠绕复合材料薄层4，所缠绕的复合材料薄层4指纤维螺旋缠绕层，如图6所示，螺旋缠绕的纤维纱束通过纤维分纱圈3分隔，绕在与纤维分纱圈3连接的旋转轴12上。
复合材料薄层4的缠绕层数通过以下公式计算，
式中，为复合材料薄层的缠绕层数，/>为筒身段螺旋缠绕层厚度，/>为筒身段环向缠绕层厚度，/>为螺旋缠绕纤维单层厚度。
S300：将半筒身模具1与复合材料薄层4一同放入固化设备进行复合材料固化。
如图7所示，步骤S300所述复合材料固化完成后，阀座2与复合材料薄层4通过树脂连接，在沿半筒身模具1与纤维分纱圈3的连接凹槽切除纤维分纱圈上多余纤维复合材料4.2之后，可将阀座2及半筒身复合材料薄层4.1由筒身到封头方向取出。
S400：重复上述步骤S200和步骤S300，加工另一个半筒身复合材料薄层4.1，在两个半筒身复合材料薄层4.1内壁分别喷涂防腐防渗透涂层6。
半筒身复合材料薄层如图8所示。半筒身复合材料薄层内壁喷涂防腐防渗透涂层如图9所示。
S500：连接两个半筒身复合材料薄层4.1形成全筒身复合材料薄层8。
如图10所示，步骤S500所述连接两个半筒身复合材料薄层4.1形成全筒身复合材料薄层8，首先将两个半筒身复合材料薄层的连接表面7打磨成楔形，再采用表面处理剂对半筒身复合材料薄层连接表面7进行处理，最后通过胶接使两个半筒身复合材料薄层4.1连接成全筒身复合材料薄层8。
S600：对全筒身复合材料薄层8进行纤维全缠绕及复合材料固化，最终获得满足要求的全复合材料压力容器，全复合材料压力容器结构如图12所示。
如图11所示，步骤S600对全筒身复合材料薄层8进行纤维全缠绕及复合材料固化之前，首先在全筒身复合材料薄层8内加入可充气耐高温的弹性材料气囊9，并向弹性材料气囊9内充入一定压力的安全气体，使弹性材料气囊9作为全筒身复合材料薄层8的辅助支撑，在纤维全缠绕过程、复合材料固化过程中，使弹性材料气囊9保持压力，在复合材料固化完成后，对弹性材料气囊9抽真空并取出弹性材料气囊9；全筒身复合材料薄层8的纤维全缠绕层数为设计压力所要求的螺旋缠绕层数和环向缠绕层数。
步骤S600中，纤维全缠绕的层数通过以下公式计算:
式中，m为螺旋缠绕层数，n为环向缠绕层数，为螺旋缠绕纤维单层厚度，为环向缠绕纤维单层厚度，/>为筒身段螺旋缠绕层厚度，/>为筒身段环向缠绕层厚度，R为半筒身模具外轮廓半径，/>为压力容器设计爆破压强，K为纤维强度利用系数，为纤维拉伸强度，/>为筒身段螺旋缠绕角，/>为阀座的圆柱段外轮廓半径。
步骤S100中，阀座2预留一定长度外螺纹与外部保护套11配合，外部保护套11为橡胶材料；全筒身复合材料薄层8的纤维全缠绕及复合材料固化完成后，得到纤维全缠绕层10，将外部保护套11与阀座2配合，可增强阀座2与全筒身复合材料薄层8及纤维全缠绕层10之间的连接强度及气密性。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (9)
1.一种Ⅴ型全复合材料压力容器成型方法，其特征在于，采用Ⅴ型全复合材料压力容器成型装置，装置包括半筒身模具（1），所述半筒身模具（1）的筒身部分长度为所加工压力容器筒身长度的一半，半筒身模具（1）的封头部分一端留有放置阀座（2）的凹槽，另一端安装纤维分纱圈（3）；半筒身模具（1）与阀座（2）通过花键连接，阀座（2）和纤维分纱圈（3）与纤维缠绕设备的旋转轴（12）通过螺纹连接；
包括以下步骤：
S100：根据压力容器的结构尺寸加工压力容器的半筒身模具（1）和纤维分纱圈（3），连接半筒身模具（1）与纤维分纱圈（3）；
S200：将阀座（2）放置在半筒身模具（1）封头的凹槽内，阀座（2）与纤维分纱圈（3）分别固定在旋转轴（12）上，在半筒身模具（1）表面喷涂脱模剂，通过纤维缠绕设备缠绕复合材料薄层（4）；
S300：将半筒身模具（1）与复合材料薄层（4）一同放入固化设备进行复合材料固化；待复合材料固化完成后，取下阀座（2）以及固化好的半筒身复合材料薄层（4.1）；
S400：重复步骤S200和S300，加工另一个半筒身复合材料薄层（4.1），在两个半筒身复合材料薄层（4.1）内壁分别喷涂防腐防渗透涂层（6）；
S500：连接两个半筒身复合材料薄层（4.1）形成全筒身复合材料薄层（8）；
S600：对全筒身复合材料薄层（8）进行纤维全缠绕及复合材料固化，最终获得满足要求的全复合材料压力容器。
2.根据权利要求1所述的Ⅴ型全复合材料压力容器成型方法，其特征在于，所述步骤S100中，阀座（2）预留外螺纹与外部保护套（11）连接，外部保护套（11）为橡胶材料。
3.根据权利要求1所述的Ⅴ型全复合材料压力容器成型方法，其特征在于，所述步骤S200中，
复合材料薄层（4）的缠绕层数通过以下公式计算，
式中，为复合材料薄层的缠绕层数，/>为筒身段螺旋缠绕层厚度，/>为筒身段环向缠绕层厚度，/>为螺旋缠绕纤维单层厚度。
4.根据权利要求1所述的Ⅴ型全复合材料压力容器成型方法，其特征在于，所述步骤S300中，复合材料固化完成后阀座（2）与复合材料薄层（4）之间通过树脂连接，在沿半筒身模具（1）与纤维分纱圈（3）的连接凹槽切除纤维分纱圈（3）上多余纤维复合材料（4.2），将阀座（2）及半筒身复合材料薄层（4.1）由筒身到封头方向取出。
5.根据权利要求1所述的Ⅴ型全复合材料压力容器成型方法，其特征在于，所述步骤S500中，首先将两个半筒身复合材料薄层（4.1）的连接表面（7）打磨成楔形，再采用表面处理剂对半筒身复合材料薄层（4.1）的连接表面（7）进行处理，最后通过胶接使两个半筒身复合材料薄层（4.1）连接成全筒身复合材料薄层（8）。
6.根据权利要求1所述的Ⅴ型全复合材料压力容器成型方法，其特征在于，所述步骤S600中，对全筒身复合材料薄层（8）进行纤维全缠绕及复合材料固化之前，首先在全筒身复合材料薄层（8）内加入可充气的弹性材料气囊（9），并向弹性材料气囊（9）内充入安全气体，使弹性材料气囊（9）作为全筒身复合材料薄层（8）的辅助支撑；
在纤维全缠绕过程以及复合材料固化过程中，使弹性材料气囊（9）保持压力，在复合材料固化完成后，对弹性材料气囊（9）抽真空并取出弹性材料气囊（9）。
7.根据权利要求1所述的Ⅴ型全复合材料压力容器成型方法，其特征在于，所述步骤S600中，纤维全缠绕的层数通过以下公式计算:
式中，m为螺旋缠绕层数，n为环向缠绕层数，为螺旋缠绕纤维单层厚度，/>为环向缠绕纤维单层厚度，/>为筒身段螺旋缠绕层厚度，/>为筒身段环向缠绕层厚度，R为半筒身模具外轮廓半径，/>为压力容器设计爆破压强，K为纤维强度利用系数，/>为纤维拉伸强度，/>为筒身段螺旋缠绕角，/>为阀座的圆柱段外轮廓半径。
8.根据权利要求1所述的Ⅴ型全复合材料压力容器成型方法，其特征在于，所述纤维分纱圈（3）圆周方向上阵列分布有分纱齿（3.1），纤维分纱圈（3）环向固定在半筒身模具（1）内侧，纤维分纱圈（3）轴向加工有螺纹孔与纤维缠绕设备的旋转轴（12）连接。
9.根据权利要求8所述的Ⅴ型全复合材料压力容器成型方法，其特征在于，所述纤维分纱圈（3）圆周方向上加工有通孔，半筒身模具（1）的筒身内侧对应位置设置螺纹盲孔，通孔内设置有螺栓，通过螺栓与半筒身模具（1）筒身内侧的螺纹盲孔固定连接。
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