CN117162530A - 内置金属环的复合材料耐压壳体、其制备方法及其与法兰密封连接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及复合材料技术领域，尤其是涉及内置金属环的复合材料耐压壳体、其制备方法及其与法兰密封连接方法；其中，内置金属环的复合材料耐压壳体包括复合材料耐压壳体，复合材料耐压壳体两端径向向内延伸有法兰边，两法兰边之间内壁设有金属环，金属环与复合材料耐压壳体粘接；金属环内壁设有螺纹；复合材料耐压壳体两端面分别设有密封槽，密封槽内粘接有O型密封圈；复合材料耐压壳体与法兰密封连接方法包括复合材料耐压壳体及金属法兰，金属法兰一端伸入壳体内与金属环螺接一体；本发明提供的内置金属环的复合材料耐压壳体、其制备方法及其与法兰密封连接方法，依靠机械连接保证连接结构强度性能，性能转换率较高，设计成熟度高，安全可靠。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料技术领域，尤其是涉及内置金属环的复合材料耐压壳体、其制备方法及其与法兰密封连接方法。
背景技术
自复合材料问世以来，其优异的性能受到各个行业的青睐，被广泛地应用于国防军事、航空航天、信息技术、能源工程、船舶与海洋工程等领域。与传统材料相比，复合材料具有重量轻、比强度高、比刚度大、良好的耐腐蚀性和抗疲劳以及铺层可设计性等优点。因此复合材料在水下装备类的应用较为广泛，比如水中兵器类的应用，在上世纪就已应用于水雷领域，如美国非触发锚雷MK-57，瑞典GM1100，以及80年代由意大利研制MRP水雷，玻纤增强复合材料实现水雷壳体的无磁化，引信可采用磁通道，增加水雷的打击概率，增强抗扫和抗猎雷性能。1991年的海湾战争中击伤美军现代化舰艇的manta水雷，亦是由玻纤增强复合材料作为外壳。再比如近年关注度较高的UUV（无人水下航行器）类型产品，复合材料因具有良好的设计性、高比强、高比模的特性，在国内外多家研究机构和单位作为首选耐压壳体的材料开展研究，美国对于该类型产品较为成熟，已经有在服役的碳纤维复合材料耐压壳体类型的UUV、AUV、水下滑翔机、巡逻机器人等。
复合材料耐压壳体的广泛应用，复合材料主壳体与金属法兰的连接结构设计是十分关键及重要的一环，经过复合材料领域的多年迅速发展，目前复合材料壳体自身已经具有良好的设计能力和耐压、防渗等功能的实现，但是随着耐压壳体应用的水深、壳体的尺寸、后续的工作环境等技术参数不断的提高，对于复合材料壳体的连接结构提出较高的性能及可靠性的要求，目前复合材料壳体与金属法兰进行连接构成单独舱段的耐压壳体，再通过金属法兰与其他舱段进行配合连接的形式，较为合理，但耐压壳体与金属法兰的设计过程中，通常会出现密封失效、耐压结构失效等一系列问题。
如专利CN110285215A公开了一种开孔复合材料封头的密封结构及方法，通过粘接的方式将金属堵头与复合材料封头进行连接，使用径向密封和端面密封多道密封圈结构协同进行更可靠的密封，将复合材料封头密封；但由于堵头在水下载荷环境下，其受力方向和形式单一，通常仅为外水压，且堵头连接孔通常为导线或窗口类，面积尺寸较小，复合材料耐压壳体端口作为本舱段复合材料与金属法兰密封以及舱段之间连接用途，其设计难度、结构功能复杂性，在水下受力时，存在径向的外水压以及运动时的轴向载荷，且在运输、存放、吊装等不同需求工况下的复杂受力环境，其设计难度及性能要求要远远大于小尺寸的端面堵头密封连接结构；如专利CN115076369A公开了一种复合材料耐压壳体端口的密封结构及其制备方法，该发明使用金属连接环与复合材料壳体相连接，并设有凸缘伸入复合材料壳体端口，加长复合材料与金属连接环的粘接面积，同时，在金属连接环上加装密封法兰，并使用密封圈进行密封；通过加长粘接面积来提高密封可靠性，这种方法可获得较好的耐外水压载荷的能力，因为法兰凸缘会起到较强的支撑作用，但这种结构对于轴向载荷需求明显的工况，显得无能为力，较长的粘接面积，协同响应较低，并且该结构对于密封功能，过度依赖于粘接剂，而粘接剂很难在保证高强度的同时能够具有较好的韧性或形变量来抵消交变载荷带来的疲劳损伤，因此，该结构密封结构可能存在隐患；如专利CN112312712A公开了一种纤维树脂基复合材料耐压壳体开孔补强密封结构，该发明使用加强件、非标准密封挡圈和端盖构成密封连接结构，用于复合材料壳体侧壁开孔处的密封连接，加强件通过压铸工艺整体成型，且与复合材料耐压壳体壁上的孔及孔周边壳体内表面通过高粘度环氧树脂胶粘接；非标准密封挡圈一端为曲面，一端为平面，曲面端与复合材料耐压壳体外表面完全贴合，端盖与加强件螺纹连接并对非标准密封挡圈平面端形成挤压接触；密封圈置于加强件端面密封槽内，通过端盖底部挤压与加强件端面形成轴向密封；该发明针对的是复合材料侧壁开孔后进行的密封，同时具备一定的补强作用，是目前应用较为广泛的一种复合材料开孔补强工艺技术，该发明在此基础上进行演化后使用在复合材料水下耐压壳体领域，但该方案无法完成在金属件直径大于复合材料壳体内径尺寸的状态下完成连接设计。
因此，针对上述问题本发明急需提供一种内置金属环的复合材料耐压壳体、其制备方法及其与法兰密封连接方法。
发明内容
本发明的目的在于提供内置金属环的复合材料耐压壳体、其制备方法及其与法兰密封连接方法，通过对水溶性模具设计、复合材料连接密封设计，内嵌金属件设计的设计实现使用金属法兰与复合材料耐压壳体进行混合连接，以解决现有技术中存在的耐压壳体与金属法兰的设计过程中通常会出现的密封失效、耐压结构的技术问题。
本发明提供的一种内置金属环的复合材料耐压壳体的制备方法，包括以下步骤：
在芯轴上制备中间段芯模；在中间段芯模两端外壁加工第一台阶，在中间段芯模两端的第一台阶处分别紧配套接具有内螺纹的金属环；
制备两个与中间段芯模尺寸匹配的侧芯模，在各侧芯模一端外壁加工第二台阶，将两侧芯模分别穿装在芯轴上，远离第二台阶的两个侧芯模一端面与中间段芯模的两端分别抵触装配，获得水溶性芯模；
在水溶性芯模上随型缠绕或铺设纤维预浸料，每缠绕或铺设一次纤维预浸料后，在第二台阶处环形缠绕一次纤维预浸料，当第二台阶缠绕的预浸料厚度与中间段芯模缠绕的预浸料厚度相等时，获得第一预浸料层，在第一预浸料层上继续缠绕或铺设纤维预浸料，获得第二预浸料层，加热固化，去除水溶性芯模，获得内置金属环的复合材料耐压壳体。
优选地，随型缠绕或铺设纤维预浸料的厚度XI和第二台阶缠绕的预浸料厚度X2的比值为（1-2）：1。
优选地，金属环的内螺纹面在与中间段芯模装配前，在螺纹面上贴敷石膏、硅橡胶、四氟乙烯中的一种。
优选地，安装金属环后，在水溶性芯模表面涂覆脱模剂和包覆塑料膜。
优选地，水溶性芯模包括由聚乙烯醇和陶粒混合制备而成。
优选地，金属环套接于中间段芯模时，金属环和中间段芯模的同轴度为0.02-0.05，并使组合后的平面度小于0.1，并使用耐高温硅橡胶将金属环与第一台阶粘接。
本发明还提供了一种内置金属环的复合材料耐压壳体，包括复合材料耐压壳体，复合材料耐压壳体两端径向向内延伸有法兰边，两法兰边之间内壁设有金属环，金属环与复合材料耐压壳体粘接；金属环内壁设有螺纹；
复合材料耐压壳体两端面分别设有环形密封槽，密封槽内粘接有O型密封圈。
优选地，密封槽的宽度小于等于复合材料耐压壳体的端面直径的1/5。
优选地，密封槽的内侧壁使用耐高温液态橡胶与O型密封圈粘接；金属环与金属法兰的接触面、金属环与复合材料耐压壳体的接触面的密封剂的具体型号为脱酮肟型单组分液态硅橡胶GD414硅橡胶。
本发明还提供了一种复合材料耐压壳体与法兰密封连接方法，包括如上所述的复合材料耐压壳体及金属法兰，金属法兰一端伸入壳体内与金属环螺接一体。
本发明提供的内置金属环的复合材料耐压壳体、其制备方法及其与法兰密封连接方法与现有技术相比具有以下进步：
本发明的提供的复合材料耐压壳体与法兰密封连接方法，很好的解决了复合材料耐压壳体与金属法兰连接的抗压、抗拉及抗弯强度问题与密封问题的技术难题，结合机械连接和粘接连接不同的设计理念，并形成协同效应，让耐压壳体端口的密封连接更加可靠，克服了粘接连接无法同时满足高抗拉强度、耐交变载荷疲劳的问题，在水下装备类耐压壳体的复合材料推广应用，具有很高的应用价值及推广意义；在结构强度方面，本发明依靠机械连接保证连接结构强度性能，进行结构仿真计算及强度设计较为容易，性能转换率较高，设计成熟度高，安全可靠；在密封功能方面，通过使用液态橡胶密封剂与密封圈的结合，提高密封可靠性，对于压缩、拉伸、弯曲工况及交变压力等不同的服役环境，均有良好的适应性，工艺便于实施；从设计自由度角度分析，本发明对于不同壁厚的复合材料耐压壳体均有良好的适应性，同时，金属法兰可实现与其他舱段的连接设计，设计自由度较大，适合二次开发，具有较广泛的推广应用价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图 1为本发明中所述复合材料耐压壳体与法兰密封连接的结构示意图（剖视图）；
图2为本发明中所述水溶性芯模的结构示意图（剖视图）；
图3为本发明中所述复合材料耐压壳体的纤维预浸料的结构示意图（剖视图）；
图4为本发明中所述内置金属环的复合材料耐压壳体的结构示意图（剖视图）。
附图标记说明：
1、芯轴； 2、中间段芯模；3、侧芯模；4、金属环；5、复合材料耐压壳体；6、密封槽；7、O型密封圈；8、金属法兰。
具体实施方式
下面将对本发明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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图2、图3所示，本实施例提供的一种内置金属环的复合材料耐压壳体的制备方法，包括以下步骤：
在芯轴1上制备中间段芯模2；在中间段芯模2两端外壁加工第一台阶，在中间段芯模2两端的第一台阶处分别紧配套接具有内螺纹的金属环4；
制备两个与中间段芯模2尺寸匹配的侧芯模3，在各侧芯模3一端外壁加工第二台阶，将两侧芯模3分别穿装在芯轴1上，远离第二台阶的两个侧芯模3一端面与中间段芯模2的两端分别抵触装配，获得水溶性芯模；
在水溶性芯模上随型缠绕或铺设纤维预浸料，每缠绕或铺设一次纤维预浸料后，在第二台阶处环形缠绕一次纤维预浸料，当第二台阶缠绕的预浸料厚度与中间段芯模2缠绕的预浸料厚度相等时，获得第一预浸料层，在第一预浸料层上继续缠绕或铺设纤维预浸料，获得第二预浸料层，加热固化，去除水溶性芯模，获得内置金属环4的复合材料耐压壳体5。
本发明提供的一种内置金属环的复合材料耐压壳体的制备方法，通过水溶性芯模及内置金属件的一体化设计及制备、复合材料耐压壳体端部结构优化设计及成型等，实现内置金属环与金属法兰同步实现了粘接连接及机械连接，极大提升复合材料耐压壳体的承受轴向载荷的能力。本发明成型工艺简便易执行，重量增加较小，不会影响耐压壳体的重排比，具有很好的推广价值。
在本实施例中，随型缠绕或铺设纤维预浸料的厚度XI和第二台阶缠绕的预浸料厚度X2的比值为（1-2）：1。
本发明提供的纤维预浸料铺覆方法，随型缠绕或铺设纤维预浸料可以将复合材料受力形式由沿铺层方向剪切变为面内剪切，可以更好的提升耐压壳体抗拉性能，能够最大化提升本发明连接结构的抗拉伸性能。
在本实施例中，金属环4的内螺纹面在与中间段芯模2装配前，在螺纹面上贴敷石膏、硅橡胶、四氟乙烯中的一种。
本发明所述的石膏、硅橡胶、四氟乙烯对内嵌金属环进行保护措施实施，确保金属连接环在复合材料缠绕成型过程无变形、杂质夹杂等异常情况发生。
在本实施例中，安装金属环4后，在水溶性芯模表面涂覆脱模剂和包覆塑料膜。
在本实施例中，水溶性芯模包括由聚乙烯醇和陶粒混合制备而成。
本发明提供的一种内置金属环的复合材料耐压壳体的制备方法中，在水溶性模具表面进行的复合材料耐压壳体5缠绕成型后，将水溶性模具冲刷清理，则可获得复合材料耐压壳体5，可实现复合材料耐压壳体5两端的内翻法兰结构；水溶性模芯可使用陶粒、石英砂等作为增强物质，粘接剂可选用水溶性的物质，如聚乙烯醇，制作时需要将聚乙烯醇或其他水溶性粘接剂与增强物质按照一定比例进行充分混合，混合后装填在模具内部进行夯实，粘接剂类型选用时需要注意在复合材料固化温度下不变形或变形量较小，同时具有良好的抗压性能，能够承受复合材料缠绕成型及固化过程的纤维张力。
如图2所示，金属环4套接于中间段芯模2时，金属环4和中间段芯模2的同轴度为0.02-0.05，并使组合后的平面度小于0.1，并使用耐高温硅橡胶将金属环4与第一台阶粘接。
如图4所示，本发明还提供了一种内置金属环的复合材料耐压壳体，包括复合材料耐压壳体5，复合材料耐压壳体5两端径向向内延伸有法兰边，两法兰边之间内壁设有金属环4，金属环4与复合材料耐压壳体5粘接；金属环4内壁设有螺纹；
复合材料耐压壳体5两端面分别设有环形密封槽6，密封槽6内粘接有O型密封圈7。
本发明提供的一种内置金属环的复合材料耐压壳体，通过水溶性芯模及内置金属件的一体化设计及制备、复合材料耐压壳体端部结构优化设计及成型等，实现内置金属环与金属法兰同步实现了粘接连接及机械连接，极大提升复合材料耐压壳体的承受轴向载荷的能力。本发明成型工艺简便易执行，重量增加较小，不会影响耐压壳体的重排比，具有很好的推广价值。
如图4所示，密封槽6的宽度小于等于复合材料耐压壳体5的端面直径的1/5。
在本实施例中，密封槽6的内侧壁使用耐高温液态橡胶与O型密封圈7粘接；金属环4与金属法兰8的接触面、金属环4与复合材料耐压壳体5的接触面的密封剂的具体型号为脱酮肟型单组分液态硅橡胶GD414硅橡胶。
如图1所示，本发明还提供了一种复合材料耐压壳体与法兰密封连接方法，包括如上所述的复合材料耐压壳体5及金属法兰8，金属法兰8一端伸入壳体内与金属环4螺接一体。
本发明提供的一种复合材料耐压壳体与法兰密封连接方法，很好的解决了复合材料耐压壳体与金属法兰连接的抗压、抗拉及抗弯强度问题与密封问题的技术难题，结合机械连接和粘接连接不同的设计理念，并形成协同效应，让耐压壳体端口的密封连接更加可靠，克服了粘接连接无法同时满足高抗拉强度、耐交变载荷疲劳的问题，在水下装备类耐压壳体的复合材料推广应用，具有很高的应用价值及推广意义；在结构强度方面，本发明依靠机械连接保证连接结构强度性能，进行结构仿真计算及强度设计较为容易，性能转换率较高，设计成熟度高，安全可靠；在密封功能方面，通过使用液态橡胶密封剂与密封圈的结合，提高密封可靠性，对于压缩、拉伸、弯曲工况及交变压力等不同的服役环境，均有良好的适应性，工艺便于实施；从设计自由度角度分析，本发明对于不同壁厚的复合材料耐压壳体均有良好的适应性，同时，金属法兰可实现与其他舱段的连接设计，设计自由度较大，适合二次开发，具有较广泛的推广应用价值。
本发明提供的复合材料耐压壳体与法兰密封连接方法包括如下步骤：
1）在水溶性芯模上安装金属环4并铺覆纤维预浸料层，固化成型后去除水溶性芯模，获得内置金属环4的复合材料耐压壳体5；
2）在复合材料耐压壳体5两端开设密封槽6，在密封槽6内粘接O型密封圈7；
3）安装金属法兰8，获得与法兰密封连接的复合材料耐压壳体5。
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 (10)
1.一种内置金属环的复合材料耐压壳体的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
在芯轴（1）上制备中间段芯模（2）；在中间段芯模（2）两端外壁加工第一台阶，在中间段芯模（2）两端的第一台阶处分别紧配套接具有内螺纹的金属环（4）；
制备两个与中间段芯模（2）尺寸匹配的侧芯模（3），在各侧芯模（3）一端外壁加工第二台阶，将两侧芯模（3）分别穿装在芯轴（1）上，远离第二台阶的两个侧芯模（3）一端面与中间段芯模（2）的两端分别抵触装配，获得水溶性芯模；
在水溶性芯模上随型缠绕或铺设纤维预浸料，每缠绕或铺设一次纤维预浸料后，在第二台阶处环形缠绕一次纤维预浸料，当第二台阶缠绕的预浸料厚度与中间段芯模（2）缠绕的预浸料厚度相等时，获得第一预浸料层，在第一预浸料层上继续缠绕或铺设纤维预浸料，获得第二预浸料层，加热固化，去除水溶性芯模，获得内置金属环（4）的复合材料耐压壳体（5）。
2.根据权利要求1所述的内置金属环的复合材料耐压壳体的制备方法，其特征在于：随型缠绕或铺设纤维预浸料的厚度XI和第二台阶缠绕的预浸料厚度X2的比值为（1-2）：1。
3.根据权利要求2所述的内置金属环的复合材料耐压壳体的制备方法，其特征在于：金属环（4）的内螺纹面在与中间段芯模（2）装配前，在螺纹面上贴敷石膏、硅橡胶、四氟乙烯中的一种。
4.根据权利要求3所述的内置金属环的复合材料耐压壳体的制备方法，其特征在于：安装金属环（4）后，在水溶性芯模表面涂覆脱模剂和包覆塑料膜。
5.根据权利要求4所述的内置金属环的复合材料耐压壳体的制备方法，其特征在于：水溶性芯模包括由聚乙烯醇和陶粒混合制备而成。
6.根据权利要求5所述的内置金属环的复合材料耐压壳体的制备方法，其特征在于：金属环（4）套接于中间段芯模（2）时，金属环（4）和中间段芯模（2）的同轴度为0.02-0.05，并使组合后的平面度小于0.1，并使用耐高温硅橡胶将金属环（4）与第一台阶粘接。
7.一种基于如权利要求1-6中任一所述的内置金属环的复合材料耐压壳体的制备方法获得的内置金属环的复合材料耐压壳体，其特征在于：包括复合材料耐压壳体（5），复合材料耐压壳体（5）两端径向向内延伸有法兰边，两法兰边之间内壁设有金属环（4），金属环（4）与复合材料耐压壳体（5）粘接；金属环（4）内壁设有螺纹；
复合材料耐压壳体（5）两端面分别设有环形密封槽（6），密封槽（6）内粘接有O型密封圈（7）。
8.根据权利要求7所述的内置金属环的复合材料耐压壳体，其特征在于：密封槽（6）的宽度小于等于复合材料耐压壳体（5）的端面直径的1/5。
9.根据权利要求8所述的内置金属环的复合材料耐压壳体，其特征在于：密封槽（6）的内侧壁使用耐高温液态橡胶与O型密封圈（7）粘接；金属环（4）与金属法兰（8）的接触面、金属环（4）与复合材料耐压壳体（5）的接触面的密封剂的具体型号为脱酮肟型单组分液态硅橡胶GD414硅橡胶。
10.一种复合材料耐压壳体与法兰密封连接方法，其特征在于：包括如权利要求7-9中任一所述的复合材料耐压壳体（5）及金属法兰（8），金属法兰（8）一端伸入壳体内与金属环（4）螺接一体。
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