CN1546901A - 6.8升铝内衬碳纤维全缠绕复合气瓶 - Google Patents

Abstract

一种6.8升铝内衬碳纤维全缠绕复合气瓶，以椭圆曲面尾端、筒体部分、椭圆曲面颈部和含有内螺纹瓶口光滑无缝连接而成的铝内衬为芯模、铝内衬表面上按优化设计的铺层次序缠绕碳纤维层，其外表面上缠绕玻璃纤维抗冲击保护层，并在制造过程中经“自紧”技术进行处理，其中铝内衬筒体部分上交替缠绕纵向螺旋缠绕纤维层和环向缠绕纤维层，椭圆曲面尾端和椭圆曲面颈部碳纤维层为变角度纵向螺旋缠绕纤维层，在与椭圆曲面尾端和椭圆曲面颈部连接处的筒体两端部采用环向增厚缠绕。本发明的复合气瓶满足合理的应力场分布，保证复合气瓶在使用最少的纤维用量条件下能承受最大的爆破压力，具有持久的良好气密性能和最佳的安全性能。

Description

6.8升铝内衬碳纤维全缠绕复合气瓶

技术领域：

本发明涉及一种6.8升铝内衬碳纤维全缠绕复合气瓶，是消防、采矿、化工等领域经常使用的成套便携式呼吸救助装置的高压供气设备，用于在30MPa高压状态下储存各类压缩气体。

背景技术：

6.8升铝内胆碳纤维全缠绕复合气瓶是一种储存压缩空气或氧气的容器，是各类救助呼吸器的高压供气装置，与同样容积、同样工作压力的钢质气瓶相比，其重量只有同类钢气瓶的二分之一。钢质高压气瓶如遇意外事故，其破裂属突发性碎片模式，而铝内胆碳纤维全缠绕复合气瓶因有连续纤维存在，破裂属开裂、泄露模式，不会有碎片飞出伤人，其安全性能、疲劳寿命、耐腐蚀性能、抗火烧性能和闭气性能都远好于同类钢质气瓶。

铝内胆碳纤维全缠绕复合气瓶的设计和制造与钢质气瓶属于两个截然不同的领域，是需要探索的高新领域。目前国家质量技术监督局主要依据美国的DOT-CFFC标准或欧洲的HSE-AL-FW2标准作为判定(6.8升容积/30MPa工作压力)铝内胆碳纤维全缠绕复合气瓶的设计、制造和销售的认证资格。按DOT-CFFC标准设计、制造的铝内衬碳纤维全缠绕复合材料高压气瓶的主要技术指标为：安全系数n≥3.4，疲劳循环次数N≥10000(次)；按HSE-AL-FW2标准设计、制造的铝内衬碳纤维全缠绕复合材料高压气瓶的主要技术指标为：安全系数n≥3.0，疲劳循环次数N≥3750(次)。因此，美国的DOT-CFFC标准要高于欧洲的HSE-AL-FW2标准。

目前国际上一些发达国家都已使用铝内衬碳纤维全缠绕复合气瓶来替代同类钢质气瓶。国内现在使用的铝内衬碳纤维全缠绕复合材料高压气瓶主要靠国外进口，近来国内个别单位也研制了该类复合气瓶。但国内现在使用的铝内衬碳纤维全缠绕复合材料高压气瓶都是按欧洲的HSE-AL-FW2标准进行设计和制造的，其主要技术指标都远低于美国的DOT-CFFC标准。

中国专利《高压复合气瓶式氧气呼吸气》(ZL98236546.2)中，按HSE-AL-FW2标准给出了一种铝内衬碳纤维全缠绕复合气瓶的设计。他们的设计特征仅在于在超薄铝合金内衬上，先进行环向缠绕若干层，再螺旋缠绕若干层，按此方法往复若干个循环，纤维在缠绕过程中浸胶。这样的铺层设计没有给出理论依据、有随意性，不能最大限度的发挥复合气瓶结构的整体强度。另外，在他们的发明中，没有提到对铝内衬碳纤维全缠绕复合气瓶进行必要的‘自紧’处理技术，从而使得该复合气瓶的疲劳寿命只能维持在一个很低的水平。按照他们的发明设计，6.8升碳纤维全缠绕铝内衬复合气瓶在满足最少纤维用量的条件下，其安全系数n≥3.0(爆破压力为90(MPa))、疲劳寿命N≥3750(次)，空瓶的重量W＝4.2(kg)，远低于该类产品的国际先进水平(美国的DOT-CFFC标准)。

由于复合材料结构的可设计性的特点，对于不同的铺层设计所制造的铝内衬碳纤维全缠绕复合气瓶，其结构性能有很大的差异。只有利用虚拟仿真技术对铝内衬碳纤维全缠绕复合气瓶的结构铺层进行优化设计，并通过‘自紧’处理的数值仿真确定最佳的‘自紧’压力对相应的复合气瓶在制造过程中进行‘自紧’处理，才能最大限度地提高其疲劳寿命，并使得6.8升铝内衬碳纤维全缠绕复合气瓶的主要技术指标完全达到国际先进水平(美国的DOT-CFFC标准)。

发明内容：

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种新型6.8升铝内衬碳纤维全缠绕复合气瓶，使之具有尽可能轻的重量，并能满足代表国际先进水平的美国DOT-CFFC标准的要求。

为实现这样的目的，本发明以无缝铝内衬为芯模、铝内衬表面上按优化设计的铺层次序缠绕碳纤维层、其外表面上缠绕玻璃纤维作为抗冲击保护层，在制造过程中利用‘自紧’处理技术对复合气瓶进行‘自紧’处理。

本发明根据6.8升铝内衬碳纤维全缠绕复合气瓶的功能要求，采用复合材料结构有限元对铝内衬碳纤维全缠绕复合气瓶进行铺层次序的优化设计。6.8升铝内衬碳纤维全缠绕复合气瓶的主要承载结构是由铝内衬和碳纤维缠绕层组成。铝内衬是由椭圆曲面尾端、筒体部分、椭圆曲面颈部和含有内螺纹瓶口光滑无缝连接而成。铝内衬筒体部分上的碳纤维缠绕层是由纵向螺旋缠绕纤维层(纤维增强方向和复合气瓶纵向对称轴的夹角小于20°)和环向缠绕纤维层(纤维增强方向和复合气瓶纵向对称轴的夹角等于90°)按优化设计所得的铺层次序交替缠绕而成，铝内衬的椭圆曲面尾端和椭圆曲面颈部碳纤维层为变角度纵向螺旋缠绕纤维层，在与椭圆曲面尾端和椭圆曲面颈部连接处的筒体两端部采用环向增厚缠绕，碳纤维全缠绕层的表面上缠绕玻璃纤维层作为复合气瓶的抗冲击保护层。

本发明的6.8升铝内衬碳纤维全缠绕复合气瓶的铝内衬是碳纤维全缠绕复合气瓶内层结构、由矢高为L₀的椭圆曲面尾端、内径为D、长度为L₁的筒体部分、矢高为L₂的椭圆曲面颈部和含有内螺纹为M18、长度为L₃的瓶口光滑无缝连接组成，其中几何参数L₀、L₂的选取使得气瓶尾端和颈部的椭圆曲面的环向工作应力接近于零，而D、L₁、的选取是要保证复合气瓶的容积等于6.8升，铝内衬的壁厚t≤2mm的选取是要保证其在最小重量的情况下、复合气瓶经‘自紧’处理后在水压试验压力下的铝内衬保持弹性变形状态，铝内衬外表面上涂有一层防电腐蚀涂层，然后将T700-12KC碳纤维全缠绕在铝内衬上成型。

铝内衬筒体部分的碳纤维缠绕层是由纵向螺旋缠绕纤维层(纤维增强方向和复合气瓶纵向对称轴的夹角小于20°)和环向缠绕纤维层(纤维增强方向和复合气瓶纵向对称轴的夹角等于90°)按优化设计所得的铺层次序交替缠绕而成；纵向缠满一个循环层的纱带片总条数为M(条/循环层)，在筒体中间0.68L₁部分采用环向等厚缠绕、其纱带片宽度为b(mm/条)；为了保证复合气瓶破裂起始筒体中部、属开裂、泄露模式，在与椭圆曲面尾端和椭圆曲面颈部连接处的筒体两端部L₄＝0.16L₁区域采用环向增厚缠绕，缠绕时纱带宽为b₀＝0.85b(mm/条)；铝内衬的尾端和颈部的椭圆曲面仅有沿曲面测地线纵向螺旋缠绕的纤维层，其铺层次序与筒体的纵向螺旋缠绕纤维层一致；最后在碳纤维全缠绕层的表面上缠绕一层纵向螺旋缠绕和一层环向缠绕的玻璃纤维层作为抗冲击保护层。

本发明中铝内衬的材料特性满足等向硬化Von Mises塑性屈服准则，碳纤维缠绕层为线弹性材料满足最大拉应力破坏准则。为了提高本发明设计的6.8升铝内衬碳纤维全缠绕复合气瓶的疲劳寿命、气密性能，需按照“自紧”处理数值仿真所确定的“自紧”压力P_z对成型后的复合气瓶进行“自紧”处理，即将成型后的铝内衬碳纤维全缠绕复合气瓶加压超过一定的水压试验规定的压力使复合气瓶的铝内衬完全进入塑性变形状态、然后卸压至零，使得复合气瓶的铝内衬在零压力下呈现压应力状态，而碳纤维全缠绕层呈现拉应力状态，确保在给定的工作压力和水压试验压力下，6.8升铝内衬碳纤维全缠绕复合气瓶的铝内衬完全处于弹性变形状态。

本发明设计的6.8升铝内衬碳纤维全缠绕复合气瓶可以很容易地按一定的铺层次序和工艺方式进行缠绕成型、并按由‘自紧’处理数值仿真所确定的‘自紧’压力P_z对成型后的复合气瓶进行‘自紧’处理。本发明的复合气瓶满足美国DOT-CFFC设计规范要求的合理的应力场分布，保证复合气瓶在使用最少的纤维用量(空瓶重W≤3.9kg)的条件下的能承受最大的爆破压力(安全系数n≥3.4)，使破坏撕裂起始于复合气瓶的筒体部位、无碎片，在给定的工作压力下复合气瓶的铝内衬始终处于弹性变形状态，保证该复合气瓶具有持久的(疲劳循环次数N≥10000次)良好气密性能和最佳的安全性能。

附图说明：

图1为本发明6.8升铝内衬碳纤维全缠绕复合气瓶的结构图。

图1中，1表示铝内衬的筒体部分，2表示铝内衬的椭圆曲面尾端，3表示铝内衬的椭圆曲面颈部，4表示铝内衬的瓶口，6表示铝内衬的椭圆曲面尾端和椭圆曲面颈部的纵向螺旋缠绕纤维层[±α₁/±α₂/±α₃/±α₄]其中：α_i(i＝1，2，3，4)表示纤维增强方向和复合气瓶对称轴的夹角，L₀表示气瓶椭圆曲面尾端的矢高，L₁表示复合气瓶的筒体长度，L₂表示气瓶椭圆曲面颈部的矢高，L₃表示含有内螺纹M18的瓶口长度，L₄表示在筒体两端呈现弯矩的区域、采用环向增厚缠绕的长度，D表示复合气瓶筒体的内径。

图2为本发明6.8升铝内衬碳纤维全缠绕复合气瓶的结构图1筒体部分A的局部剖视图。

图2中，t表示铝内衬筒体的壁厚，5表示防电腐蚀涂层，7表示铝内衬筒体部分碳纤维增强缠绕层[±α₁/H₃/±α₂/H₂/±α₃/H₂/±α₄/H₂]其中：H_i表示i层环向缠绕层，8表示抗冲击玻璃纤维保护层。

图3为本发明6.8升铝内衬碳纤维全缠绕复合气瓶八分之一结构(靠颈部)的有限元计算模型。

图3中，1表示复合气瓶筒体部位，3表示复合气瓶椭圆曲面颈部的部位。

图4为本发明铝内衬碳纤维全缠绕复合气瓶筒体，图3中部位1的铺层次序。其中，Theta表示纤维增强方向与复合气瓶筒体环向之间的夹角。

图5为本发明铝内衬碳纤维全缠绕复合气瓶颈部，图3中部位3的铺层次序。其中，Theta表示纤维增强方向与复合气瓶筒体环向之间的夹角。

具体实施方式：

以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步描述。

本发明的6.8升铝内衬碳纤维全缠绕复合气瓶是以铝内衬为芯模、利用纤维缠绕机、按优化设计的铺层次序将T700-12KC碳纤维全缠绕在铝内衬上成型，其结构如图1和图2所示。具体实施方式为：

1)图1和图2中，所示的铝内衬的结构尺寸分别取为：

筒体1的长度为L₁＝414mm、内径D＝140mm，椭圆曲面尾端2的矢高L₀＝0.31D，椭圆曲面颈部3的矢高L₂＝0.3D，含有内螺纹为M18的瓶口4的长度L₃＝55mm，壁厚t＝1.8mm，保证本发明的复合气瓶的容积为6.8升。

2)在铝内衬的外表面上涂抹一层薄薄的聚氨脂清漆作为防电腐蚀涂层5。

3)T700-12KC碳纤维束浸入环氧树脂后依一定的设计张力T，按优化设计的铺层次序缠绕在铝内衬上；其中铝内衬筒体部分碳纤维缠绕层7的铺层次序为：

[±α₁/H₃/±α₂/H₂/±α₃/H₂/±α₄/H₂]，

铝内衬的椭圆曲面尾端和椭圆曲面颈部的纵向螺旋缠绕纤维层6的铺层次序为：

[±α₁/±α₂/±α₃/±α₄]

其中：α_i(i＝1，2，3，4)表示纤维增强方向和复合气瓶对称轴的夹角，分别为：

α₁＝12°；α₂＝15°；α₃＝17°；α₄＝α₁，H_i表示i层环向缠绕层。

4)碳纤维缠绕层6和7的缠绕工艺参数：

T700(K12-Tex800)合股纱股数为：N＝3(股/条)，纵向缠满一个循环的纱带片总条数为：M＝70(条/循环层)，环向等厚缠绕的纱带片宽度为：b＝7.0(mm/条)，在与椭圆曲面尾端和椭圆曲面颈部连接的筒体两端处L₄＝80mm的区域内采用环向增厚缠绕，缠绕时纱带宽为b₀＝6(mm/条)。

5)、缠绕时单股纤维的平均张力：T＝10-15(N/股)，并在缠绕过程中适当地控制环氧树脂含量、确保纤维体积含量为V_f＝0.63±0.02。

6)采用2股玻璃纤维纱在碳纤维层上缠绕，一个纵向循环层、纱带片总条数为：M_b＝64和一层环向缠绕层带片宽度为：b_b＝7(mm/条)，作为抗冲击玻纤保护层8。

7)放入固化炉进行固化成型。

8)将固化成型后的铝内衬碳纤维全缠绕复合气瓶按照数值仿真所确定的‘自紧’压力P_z＝58MPa对复合气瓶进行‘自紧’处理。

根据6.8升铝内衬碳纤维全缠绕复合气瓶的有限元计算模型如图3-5所示，按照数值仿真所确定的‘自紧’压力对复合气瓶进行‘自紧’处理后，在水压试验作用下复合气瓶的铝内衬完全处于弹性变形状态，确保体积残余变形率V_δ≤2％，提高其疲劳寿命。有限元计算结果表明本发明铝内衬碳纤维全缠绕复合气瓶经‘自紧’处理后，应力场分布合理、能呈受最大的爆破压力为114Mpa与实际试验的爆破压力值116Mpa非常接近。

按照本发明具体实施方式制造的6.8升铝内衬碳纤维全缠绕复合气瓶，具有尽可能轻的重量，并能满足代表国际先进水平的美国DOT-CFFC标准的要求。

其主要技术指标为：

1)空瓶的重量W≤3.9(kg)，

2)水压试验压力作用下体积残余变形率V_δ≤2％(DOT-CFFC标准的要求V_δ≤5％)，

3)安全系数n＝3.8(DOT-CFFC标准的要求n≥3.4)，

4)疲劳循环次数N≥10000(次)。

Claims (3)

1、一种6.8升铝内衬碳纤维全缠绕复合气瓶，其特征在于由内径为D＝140mm、长度为L₁＝414mm的筒体(1)、矢高为L₀＝0.31D的椭圆曲面尾端(2)、矢高为L₂＝0.3D的椭圆曲面颈部(3)光滑无缝连接组成的铝内衬为芯模，在铝内衬上按数值仿真得到的优化铺层次序缠绕碳纤维层，包括铝内衬椭圆曲面尾端和椭圆曲面颈部的纵向螺旋缠绕纤维层(6)和铝内衬筒体部分的碳纤维缠绕层(7)，碳纤维层外表面上缠绕一层纵向螺旋缠绕的玻璃纤维层和一层环向缠绕的玻璃纤维层作为抗冲击保护层(8)。

2、如权利要求1的6.8升铝内衬碳纤维全缠绕复合气瓶，其特征在于所述的铝内衬筒体部分碳纤维缠绕层(7)的铺层次序为[±12°/(90°)₃/±15°/(90°)₂/±17°/(90°)₂/±12°/(90°)₂]，铝内衬椭圆曲面尾端和椭圆曲面颈部的纵向螺旋缠绕纤维层(6)的铺层次序为[±12°/±15°/±17°/±12°]，T700(K12-Tex800)合股纱股数为：N＝3股/条，纵向缠满一个循环的纱带片总条数为：M＝70条/循环层，环向等厚缠绕区域(L₁-2L₄)内的纱带片宽度为：b＝7.0mm/条，在靠近复合气瓶筒体与椭圆曲面尾端和椭圆曲面颈部连接处长度为L₄＝80mm的筒体区域内采用环向增厚缠绕，缠绕时纱带宽为b₀＝6mm/条，缠绕时单股纤维的平均张力：T＝10-15N/股，并在缠绕过程中控制环氧树脂含量、确保纤维体积含量为V_f＝0.63。

3、如权利要求1或2的6.8升铝内衬碳纤维全缠绕复合气瓶，其特征在于成型后的复合气瓶经Pz＝58MPa的压力进行“自紧”处理，使其在水压试验压力作用下的体积残余变形率V_δ≤2％。

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