RU2754572C1 - High-pressure metal-composite cylinder with large-diameter necks - Google Patents

High-pressure metal-composite cylinder with large-diameter necks Download PDF

Info

Publication number
RU2754572C1
RU2754572C1 RU2020136258A RU2020136258A RU2754572C1 RU 2754572 C1 RU2754572 C1 RU 2754572C1 RU 2020136258 A RU2020136258 A RU 2020136258A RU 2020136258 A RU2020136258 A RU 2020136258A RU 2754572 C1 RU2754572 C1 RU 2754572C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
tube
composite
metal
diameter
connecting flanges
Prior art date
Application number
RU2020136258A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Николай Григорьевич МОРОЗ
Игорь Константинович Лебедев
Original Assignee
Николай Григорьевич МОРОЗ
Игорь Константинович Лебедев
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Николай Григорьевич МОРОЗ, Игорь Константинович Лебедев filed Critical Николай Григорьевич МОРОЗ
Priority to RU2020136258A priority Critical patent/RU2754572C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2754572C1 publication Critical patent/RU2754572C1/en

Links

Images

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16JPISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J12/00Pressure vessels in general
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17CVESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C1/00Pressure vessels, e.g. gas cylinder, gas tank, replaceable cartridge
    • F17C1/02Pressure vessels, e.g. gas cylinder, gas tank, replaceable cartridge involving reinforcing arrangements
    • F17C1/04Protecting sheathings
    • F17C1/06Protecting sheathings built-up from wound-on bands or filamentary material, e.g. wires

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Filling Or Discharging Of Gas Storage Vessels (AREA)

Abstract

FIELD: gas equipment.SUBSTANCE: invention relates to the field of gas equipment and can be applied to high-pressure vessels used, in particular, in portable products of cryogenic and fire-fighting equipment, gas supply systems, automotive equipment, pneumatic systems and other devices. A metal-composite high-pressure cylinder with large-diameter necks contains an internal cylindrical thin-walled metal tube, metal connecting flanges inserted into it and a power shell made of high-strength composite materials. The surface of the connecting flanges on one side is made in the form of a part of a nodoid or unduloid of rotation with a maximum diameter equal to the inner diameter of the tube, and with a ratio of a smaller diameter to the diameter of the tube 0.71 - 0.83 and has an end section in the form of a polyhedral prism of a non-circular cylinder separated from the surface of the nodoid or unduloid by an annular groove, and the ends of the tube are compressed by plastic deformation along the surfaces of the flanges in the form of nodoids or unduloids, and are fixed in the annular grooves of threaded flanges, at the same time, the power shell made of composite materials consists of layers of high-strength and high-modulus spiral reinforcement threads with reinforcement angles of 45-56° with a ratio between the membrane stiffness of a thin-walled metal tube and a power composite shell in the annular direction in the range of 0.56-0.58 and tightly covers the end sections of the connecting flanges of non-circular shape with the formation of a strong connection with them.EFFECT: simplicity of technological implementation.6 cl, 6 dwg

Description

Настоящее изобретение относится к области газовой аппаратуры и может быть применено к сосудам высокого давления, используемым, в частности, в переносных изделиях криогенной и противопожарной техники, системах газообеспечения, автомобильной технике, пневматических системах и других устройствах.The present invention relates to the field of gas equipment and can be applied to pressure vessels used, in particular, in portable products for cryogenic and fire-fighting equipment, gas supply systems, automotive equipment, pneumatic systems and other devices.

Среди требований, предъявляемых к газовым баллонам, приоритетными являются снижение удельной материалоемкости баллона, определяемой отношением массы баллона к его объему, и обеспечение высокого ресурса по числу циклов нагружения при безопасной эксплуатации баллона.Among the requirements for gas cylinders, the priority is to reduce the specific material consumption of the cylinder, determined by the ratio of the cylinder mass to its volume, and to ensure a high resource in terms of the number of loading cycles during safe operation of the cylinder.

Практическая привлекательность баллонов с корпусом из композиционного материала заключается в том, что они обладают достаточно малым весом, легко транспортируются и способны выдерживать значительное давление (300-450 бар) при многократной цикличности нагружения.The practical attractiveness of cylinders with a body made of a composite material lies in the fact that they have a fairly low weight, are easily transported and are able to withstand significant pressure (300-450 bar) with multiple loading cycles.

Такие баллоны (сосуды), как правило, подвержены многократным циклическим нагрузкам высокого давления. В баллонах подобного типа, чтобы избежать утечек текучей среды или нарушения герметичности, особое значение придается материалу и конструкции герметизирующей оболочки - лейнера, которая в зависимости от вида и характера текучей среды, заполняющей сосуд, выполняется из термопласта, алюминия или стали. В настоящее время наибольшее распространение получили баллоны с использованием металлических лейнеров, что определяется рядом преимуществ металлов перед пластиками.Such cylinders (vessels), as a rule, are subject to repeated high pressure cyclic loads. In cylinders of this type, in order to avoid fluid leaks or leakage, particular importance is attached to the material and construction of the sealing shell - liner, which, depending on the type and nature of the fluid filling the vessel, is made of thermoplastic, aluminum or steel. Currently, the most widespread are cylinders using metal liners, which is determined by a number of advantages of metals over plastics.

Выпускаемые в настоящее время металлопластиковые баллоны высокого давления содержат внутреннюю металлическую герметичную оболочку - лейнер и внешнюю силовую пластиковую оболочку, образованную намоткой на поверхность лейнера жгута из высокомодульного волокна (например, стекловолокна, углеволокна, органического волокна), пропитанного связующим.Currently produced metal-plastic high-pressure cylinders contain an inner metal hermetic shell - a liner and an external power plastic shell formed by winding a bundle of high modulus fiber (for example, glass fiber, carbon fiber, organic fiber) impregnated with a binder onto the surface of the liner.

Известны многочисленные примеры создания баллонов давления из композиционного материала с использованием металлического лейнера из различных сплавов (см. например патенты: US 5494188, US 5538680, US 5653358, US 5862938, US 5938209, US 5979692, US 6190598, US 6202674, US 6202674, US 6230922, US 2003111473, US 6810567). Известны также многочисленные примеры создания композитных баллонов давления с использованием тонкостенных металлических лейнеров из различных сплавов (см. например патенты US 3066822, US 3446385, US 5292027, US 5,822,838, US 5918759, WO 03/029718, RU 2255829, JP 2005133847, WO 2005022026, RU 2149126, RU 2094695. RU 2077682, RU 2001115743, RU 2000123739, RU 2140602, RU 2187746, RU 93049863, RU 2065544, RU 2001115191, RU 2003115384, RU 2002101904, GB 1161846, EP 0497687 US 5287988).There are numerous examples of creating pressure cylinders from a composite material using a metal liner made of various alloys (see, for example, patents: US 5494188, US 5538680, US 5653358, US 5862938, US 5938209, US 5979692, US 6190598, US 6202674, US 6202674, US 6230922, US 2003111473, US 6810567). There are also known numerous examples of creating composite pressure cylinders using thin-walled metal liners from various alloys (see, for example, patents US 3066822, US 3446385, US 5292027, US 5,822,838, US 5918759, WO 03/029718, RU 2255829, JP 2005133847, WO 2005022026, RU 2149126, RU 2094695. RU 2077682, RU 2001115743, RU 2000123739, RU 2140602, RU 2187746, RU 93049863, RU 2065544, RU 2001115191, RU 2003115384, RU 2002101904, GB 1161846, EP 0497687 US 5287988).

Способом изготовления таких конструкций, как правило, является метод намотки, который достаточно подробно рассмотрен в ряде патентной и технической литературы (Буланов И.М., Воробей В.В. Технология аэрокосмических конструкций из композиционных материалов, М, Изд-во МГТУ им Н.Э. Баумана, 1998; Композиционные материалы, Справочник, Под ред. В.В. Васильева, Ю.М. Тарнопольского - М, Машиностроение, 1990; Композиционные материалы, Т 1-7, (пер. с англ.) Под ред, Л Браутмана, Р Крока, М. Машиностроение, 1978.; Справочник по композиционным материалам (пер. с англ.) / Под ред. Дж. Любина. М.. Машиностроение, 1988; Балакирев B.C. и др. Автоматизированные производства изделий из композиционных материалов. - М.: Химия, 1990; Образцов И.О., Васильев В.В., Бунаков В.А. Оптимальное армирование оболочек вращениия из композиционного материала. Москва, Машиностроение, 1977; Васильев В.В., Мороз Н.Г. Композитные баллоны давления., Москва, Машиностроение, 2015).The method of manufacturing such structures, as a rule, is the method of winding, which is considered in sufficient detail in a number of patent and technical literature (Bulanov I.M., Vorobey V.V. Technology of aerospace structures from composite materials, Moscow, Publishing house of the Moscow State Technical University named after N. E. Bauman, 1998; Composite materials, Handbook, Edited by V.V. Vasiliev, Yu.M. Tarnopolsky - M, Mechanical Engineering, 1990; Composite materials, T 1-7, (translated from English) Edited by, L Brautman, R Kroca, M. Mechanical Engineering, 1978; Handbook of Composite Materials (translated from English) / Edited by J. Lubin. M .. Mechanical Engineering, 1988; Balakirev BC et al. Automated production of products from composite materials - M .: Chemistry, 1990; Obraztsov I.O., Vasiliev V.V., Bunakov V.A. . Composite pressure cylinders., Moscow, Mashinostroenie, 2015).

Эффективность применения композиционных сосудов давления определяется степенью совершенства технологии армирования - процесса непрерывной намотки. Этот метод предусматривает определение рациональной структуры материала, т.е. числа и порядка чередования слоев, углов ориентации и вида армирующих материалов в них, их относительного содержания в композиции и других параметров. При этом, под слоями следует понимать слои с соответствующим расположением армирующих волокон (кольцевое или спиральное направление укладки) композиционного материала при намотке. Под толщиной кольцевых или спиральных слоев следует понимать суммарное множество армирующих волокон с соответствующим расположением, отнесенное к единице длины сечения оболочки. При этом очередность расположения слоев с кольцевым и спиральным расположением армирующих волокон по толщине стенки оболочки может быть различной.The efficiency of using composite pressure vessels is determined by the degree of perfection of the reinforcement technology - the continuous winding process. This method provides for the determination of the rational structure of the material, i.e. the number and order of alternation of layers, orientation angles and the type of reinforcing materials in them, their relative content in the composition and other parameters. In this case, layers should be understood as layers with a corresponding arrangement of reinforcing fibers (annular or spiral laying direction) of the composite material during winding. The thickness of the annular or spiral layers is to be understood as the total plurality of reinforcing fibers with a corresponding arrangement, referred to the unit of length of the sheath section. In this case, the order of arrangement of layers with an annular and spiral arrangement of reinforcing fibers along the thickness of the shell wall can be different.

Однако существующие конструкции баллонов и представленных выше патентах рекомендуемые решения не всегда выполнимы при изготовлении баллонов, в которых отношение диаметра горловинного отверстия к диаметру баллона выше 0.7. Особенность таких конструкций является то, что при росте соотношении диаметра горловинного отверстия к диаметру баллона выше 0.7 форма поверхности днища начинает вырождаться в цилиндрическую и при этом практически исчезают геометрические размеры контактирующей поверхности соединительного фланца горловины необходимые для его конструктивного оформления, представляемого в известных решениях исполнения композитных баллонов.However, the existing designs of balloons and the above-mentioned patents, the recommended solutions are not always feasible in the manufacture of balloons in which the ratio of the diameter of the neck opening to the diameter of the balloon is higher than 0.7. A feature of such structures is that with an increase in the ratio of the diameter of the throat hole to the diameter of the cylinder above 0.7, the shape of the bottom surface begins to degenerate into a cylindrical shape, and at the same time, the geometric dimensions of the contacting surface of the neck connecting flange, necessary for its design, which are presented in the known solutions for the execution of composite cylinders, practically disappear. ...

В данном случае возникают большие трудности как в конструктивном исполнении так в технологической реализации композитной оболочки, которые значительно усложняют и удорожают конструкцию.In this case, great difficulties arise both in design and in the technological implementation of the composite shell, which significantly complicate and increase the cost of the design.

Известен баллон высокого давления с горловинами большого диаметра, содержащий внутреннюю цилиндрическую тонкостенную металлическую трубку, вставленные в нее металлические соединительные фланцы (втулки) и силовую оболочку из высокопрочных композиционных материалов (RU 2338955 С1, 20.11.2008, прототип). Недостатком известного баллона является не высокая эффективность работы на любой уровень циклического нагружения высоким давлением.Known is a high-pressure cylinder with large-diameter necks containing an inner cylindrical thin-walled metal tube, metal connecting flanges (bushings) inserted into it, and a load-bearing shell made of high-strength composite materials (RU 2338955 C1, 20.11.2008, prototype). The disadvantage of the known cylinder is its low efficiency at any level of cyclic high pressure loading.

Задача изобретения заключается в том, чтобы создать такую конструкцию баллона с соотношением диаметров горловинных отверстий к диаметру баллона выше 0.7, которая бы обеспечивала высокоэффективную работоспособность на любой уровень циклического нагружения высоким давлением при минимальном весе и стоимости ее изготовления.The objective of the invention is to create such a design of the cylinder with the ratio of the diameters of the throat openings to the diameter of the cylinder above 0.7, which would provide highly efficient performance at any level of cyclic high pressure loading with minimum weight and manufacturing cost.

Техническим результатом изобретения является простота его технологической реализации и потребительской привлекательности, т.к. у потребителя появляется возможность не опасаться разрушения баллона высокого давления при достижении предельных нагрузок, благодаря безосколочной форме его разрушения при этих нагрузках. Это расширяет возможности использования сосуда по изобретению особенно в бытовых условиях и на транспортных средствах, где используются сжатые газы.The technical result of the invention is the simplicity of its technological implementation and consumer appeal, since the consumer has the opportunity not to be afraid of the destruction of the high-pressure cylinder when the maximum loads are reached, due to the splinter-free form of its destruction under these loads. This expands the possibilities of using the vessel according to the invention, especially in domestic conditions and on vehicles where compressed gases are used.

Технический результат достигнут за счет того, что металлокомпозитный баллон высокого давления с горловинами большого диаметра содержит внутреннюю цилиндрическую тонкостенную металлическую трубку, вставленные в нее металлические соединительные фланцы (втулки) и силовую оболочку из высокопрочных композиционных материалов, поверхность соединительных фланцев (втулок) с одной стороны выполнена в форме части нодоида (ундулоида) вращения с максимальным диаметром равным внутреннему диаметру трубки и с обеспечением соотношения меньшего диаметра к диаметру трубки 0.71 - 0.83 и имеет концевой участок в форме многогранной призмы (некругового цилиндра) отделенный от поверхности нодоида (ундулоида) кольцевой проточкой, а концы трубки методом пластического деформирования обжаты по поверхностям фланцев в форме нодоидов ундулоидов и зафиксированы в кольцевых проточках резьбовых фланцев (втулок), при этом силовая оболочка из композиционных материалов состоит из слоев высокопрочных и высокомодульных нитей спирального армирования с углами армирования 45-56° с обеспечением соотношения между мембранными жесткостями металлической тонкостенной трубки и силовой композитной оболочки в кольцевом направлении в интервале 0.56 - 0.58 и плотно охватывает концевые участков соединительных фланцев некруговой формы с образованием прочного соединения с ними. (последними).The technical result is achieved due to the fact that a metal-composite high-pressure cylinder with large-diameter necks contains an inner cylindrical thin-walled metal tube, inserted metal connecting flanges (bushings) and a load-bearing shell made of high-strength composite materials, the surface of the connecting flanges (bushings) is made on one side in the form of a part of a nodoid (unduloid) of rotation with a maximum diameter equal to the inner diameter of the tube and ensuring the ratio of the smaller diameter to the diameter of the tube 0.71 - 0.83 and has an end section in the form of a polyhedral prism (non-circular cylinder) separated from the surface of the nodoid (unduloid) by an annular groove, and the ends of the tube by plastic deformation are compressed along the surfaces of the flanges in the form of unduloid nodoids and fixed in the annular grooves of the threaded flanges (bushings), while the load-bearing shell made of composite materials consists of layers of high-strength and high-modulus threads spiral reinforcement with reinforcement angles of 45-56 ° ensuring the ratio between the membrane stiffness of the thin-walled metal tube and the load-bearing composite shell in the annular direction in the range of 0.56 - 0.58 and tightly covers the end sections of the non-circular connecting flanges with the formation of a strong connection with them. (last).

В образующемся пространстве между поверхностями соединительных фланцев в форме нодоидов и поверхностями деформированных концов трубки с плотным контактом помещен преобразователь давления, в виде набора раскрепленных между собой прослоек переменной толщины из разноплотного упругого несжимаемого материала, например резины.In the resulting space between the surfaces of the connecting flanges in the form of nodoids and the surfaces of the deformed ends of the tube with a tight contact, a pressure transducer is placed in the form of a set of interlayers of variable thickness, unfastened to each other, made of an elastic incompressible material of different density, such as rubber.

Суммарный объем упругого несжимаемого материала преобразователя давления превышает на 10-15% приращение объема днища силовой оболочки при ее деформировании.The total volume of the elastic incompressible material of the pressure transducer exceeds by 10-15% the increment in the volume of the bottom of the force shell during its deformation.

Между контактными поверхностями соединительных фланцев (втулок) и поверхностями деформированных концов трубки установлены герметизирующие прослойки или уплотняющие упругие кольца.Sealing interlayers or elastic sealing rings are installed between the contact surfaces of the connecting flanges (bushings) and the surfaces of the deformed ends of the tube.

Герметизирующие уплотняющие кольца установлены в кольцевых проточках соединительных фланцев (втулок).Sealing sealing rings are installed in the annular grooves of the connecting flanges (bushings).

Герметизирующие уплотняющие кольца между контактирующими поверхностями втулок и концами тонкостенной трубки установлены в сечении переходов цилиндрической поверхности трубки в поверхность нодоидов (ундулоидов).Sealing sealing rings between the contacting surfaces of the bushings and the ends of the thin-walled tube are installed in the section of the transitions of the cylindrical surface of the tube into the surface of nodoids (unduloids).

Технический результат достигается только в пределах указанных диапазонов и альтернативы.The technical result is achieved only within the specified ranges and alternatives.

Изобретение поясняется далее подробно описанием примеров выполнения со ссылкой на чертежи.The invention is illustrated in the following in detail by describing examples of execution with reference to the drawings.

На фиг. 1 показан общий вид сосуда высокого давления.FIG. 1 shows a general view of a pressure vessel.

На фиг. 2 - схема установки фланца с помощью преобразователя давления.FIG. 2 is a diagram of flange installation using a pressure transducer.

На фиг. 3 и фиг. 4 - варианты установки уплотнительного кольца.FIG. 3 and FIG. 4 - options for installing the O-ring.

На фиг. 5 показаны типовые формы профилей днищ известных композитных оболочек.FIG. 5 shows typical shapes of bottom profiles of known composite shells.

На фиг. 6 показаны типовые формы образующих профилей нодоидных и удулоидных оболочек вращения.FIG. 6 shows typical forms of the generating profiles of nodoid and uduloid shells of revolution.

Как показано на фиг. 1, в одном из примеров выполнения сосуд высокого давления содержит прочную силовую оболочку 2, например, из композиционного материала в виде многослойного каркаса состоящего из слоев однонаправленных армирующих нитей стекловолокна или углеволокна спирального армирования с пропиткой полимерным связующим. Силовая оболочка 2 в процессе ее изготовления охватывает тонкостенную металлическую трубку 1, в которой предварительно установлены и пластическим деформированием ее концов зафиксированы соединительные фланцы 3. Поверхности, соединительных фланцев и деформированных концов трубки имеют форму нодоидов. В процессе реализации сборки трубки и соединительных фланцев между ними устанавливается преобразователь давления 4 переменной толщины, состоящий из набора отделенных друг от друга прослоек вязкоупругого материала. В качестве материала преобразователя давления 4 предлагается использовать упругие несжимаемые материалы типа резины с различными плотностями для каждой прослойки. Толщина стенки преобразователя давления 4 изменяется линейно вдоль образующей поверхности соединительного фланца и имеет максимальное значение в сечении кольцевой проточки последнего. Общий объем материала образующего преобразователь давления 4 превышает на 10-15% приращение объема днища силовой оболочки 2 при ее нагружении испытательным давлением.As shown in FIG. 1, in one embodiment, the pressure vessel contains a strong load-bearing shell 2, for example, of a composite material in the form of a multilayer frame consisting of layers of unidirectional reinforcing threads of glass fiber or carbon fiber of spiral reinforcement impregnated with a polymer binder. The force shell 2 in the process of its manufacture covers a thin-walled metal tube 1, in which connecting flanges 3 are pre-installed and plastic deformation of its ends. The surfaces of the connecting flanges and deformed ends of the tube have the shape of nodoids. In the process of implementing the assembly of the tube and connecting flanges, a pressure transducer 4 of variable thickness is installed between them, consisting of a set of interlayers of viscoelastic material separated from each other. As the material of the pressure transducer 4, it is proposed to use elastic incompressible materials such as rubber with different densities for each layer. The wall thickness of the pressure transducer 4 varies linearly along the generating surface of the connecting flange and has a maximum value in the section of the annular groove of the latter. The total volume of material forming the pressure transducer 4 exceeds by 10-15% the increment in the volume of the bottom of the containment shell 2 when it is loaded with a test pressure.

В качестве вариантов исполнения конструкции вместо преобразователя давления может быть использована установка упругих уплотняющих колец 5, которые размещены в разных сечениях по контактирующим поверхностям соединительных фланцев и деформированных концов тонкостенной трубки.Alternatively, instead of a pressure transducer, the installation of elastic sealing rings 5, which are located in different sections along the contacting surfaces of the connecting flanges and the deformed ends of the thin-walled tube, can be used.

Сущность работы данного устройства баллона поясним на следующем примере.The essence of the operation of this cylinder device is illustrated by the following example.

Как правило, создание конструкции баллона требует решения задачи оптимального проектирования комбинированной конструкции, т.е. выбора оптимального соотношения толщины композита, выбора соответствующей схемы армирования композита и выбора соответствующей формы профиля днищ.As a rule, the creation of a cylinder structure requires solving the problem of optimal design of a combined structure, i.e. selection of the optimal ratio of the thickness of the composite, selection of the appropriate reinforcement scheme for the composite and selection of the appropriate shape of the bottom profile.

В виду того, что основной нагрузкой при работе баллона является внутреннее давление среды, при выборе формы профиля днища оболочки 2 следует потребовать равнонапряженности армирующих нитей композита по всему объему оболочки. Такое условие эквивалентно выполнению требования постоянства деформаций конструкции баллона в осевом и кольцевом направлениях во всех точках рассматриваемой оболочки, т.е.In view of the fact that the main load during the operation of the cylinder is the internal pressure of the medium, when choosing the shape of the bottom profile of the shell 2, it is necessary to require the uniform tension of the reinforcing threads of the composite throughout the entire volume of the shell. This condition is equivalent to meeting the requirement of constant deformations of the cylinder structure in the axial and annular directions at all points of the considered shell, i.e.

гдеwhere

εαβν,ε α = ε β = ε ν ,

εα - меридиональная деформация рассматриваемой точки днищаε α - meridional deformation of the considered point of the bottom

εβ - тангенциальная деформация рассматриваемой точки днищаε β - tangential deformation of the considered point of the bottom

εν - деформация вдоль армирующих волокон композита.ε ν - deformation along the reinforcing fibers of the composite.

В частном случае исполнения конструкции баллона с укладкой армирующих нитей композита по геодезическим траекториям и использованием указанного выше критерия, форма профиля днища для него может быть определена из решения дифференциального уравнения следующего видаIn the particular case of the execution of the design of the cylinder with the laying of the reinforcing threads of the composite along geodetic trajectories and using the above criterion, the shape of the bottom profile for it can be determined from the solution of the differential equation of the following form

Figure 00000001
Figure 00000001

получаемого при рассмотрении геометрических, статических и физических условий поведения металлокомпозитной оболочки.obtained when considering the geometric, static and physical conditions for the behavior of the metal-composite shell.

Здесь приняты следующие обозначения:The following designations are adopted here:

r, у - текущие координаты профиля, определяющего форму оболочки;r, y - current coordinates of the profile defining the shape of the shell;

у', у'' - первый и второй дифференциал (производная) координаты у;y ', y' '- the first and second differential (derivative) of the y coordinate;

R - радиус цилиндрической части оболочки(максимальный радиус);R is the radius of the cylindrical part of the shell (maximum radius);

r0 - радиус полюсного отверстия в композитной оболочке.r 0 is the radius of the pole hole in the composite shell.

Figure 00000002
- параметр учитывающий отношение прочностных характеристик используемого металла и материала армирующих волокон.
Figure 00000002
- a parameter that takes into account the ratio of the strength characteristics of the metal used and the material of the reinforcing fibers.

Где:Where:

σm - предел текучести используемого материала лейнера;σ m is the yield point of the used liner material;

δm - толщина используемого материала лейнера;δ m is the thickness of the used liner material;

σν - предел прочности используемого композита;σ ν is the ultimate strength of the composite used;

δR - толщина используемого композиционного материала на цилиндре.δ R - thickness of the used composite material on the cylinder.

Типичные формы профилей днищ, получаемые при решении данного уравнения, приведены на фиг. 5.Typical bottom profile shapes obtained by solving this equation are shown in FIG. 5.

Анализ полученных форм профилей днищ показывает, что для широкого класса используемых материалов композита глубина профиля составляет 0.6 - 0.75 радиуса цилиндрической части оболочки. Однако с увеличением диаметра (r0/Rc) горловины баллона глубина профиля резко возрастает, и оболочка днища практически вырождается в цилиндрическую форму при соотношении r0/Rc больше 0.8. При этом практически исчезают геометрические размеры контактирующей поверхности соединительного фланца горловины необходимые для его конструктивного оформления, представляемого в известных решениях исполнения композитных баллонов.The analysis of the obtained shapes of the bottom profiles shows that for a wide class of composite materials used, the profile depth is 0.6 - 0.75 of the radius of the cylindrical part of the shell. However, with an increase in the diameter (r0 / Rc) of the neck of the balloon, the depth of the profile increases sharply, and the bottom shell practically degenerates into a cylindrical shape when the ratio r0 / Rc is greater than 0.8. In this case, the geometric dimensions of the contacting surface of the neck connecting flange, which are necessary for its structural design, which are presented in the known solutions of the execution of composite cylinders, practically disappear.

Очевидно, что в данном случае необходимо использовать другую форму профиля поверхности днища баллона отличную от ранее известных, обеспечивающую его работоспособность при воздействии контактной нагрузки возникающей между соединительным фланцем и силовой оболочкой. При этом необходимо учитывать особенности контактного взаимодействия поверхности соединительного фланца и поверхности оболочки. В первом приближении, реакцию данного взаимодействия возможно представить в виде линейно изменяющегося давления вдоль образующей профиля днища. Для реализации такого характера изменения контактного давления целесообразно в конструкции между контактирующими поверхностями установить преобразователь давления 4 с линейно изменяющейся вдоль образующей профиля днища толщиной и выполненный из упругого несжимаемого материала, например резины. Для обеспечения принятого характера изменения контактного давления необходимо обеспечить линейно изменяющуюся вдоль образующей поверхности соединительного фланца толщину стенки преобразователя давления 4 с максимальным значением в сечении кольцевой проточки последнего. При этом общий объем материала образующего преобразователь давления 4 должен превышать на 10-15% приращение объема днища силовой 2 оболочки при ее нагружении испытательным давлением. Приведенные значения толщины материала преобразователя 4 получаются из условия перемещения соединительного фланца как жесткого тела без взаимного проникания при переменной деформации профиля днища и обеспечении его равновесия при выполнении условий нагружении постоянным давлением действующим со стороны внутренней полости баллона и линейно изменяющимся воль образующей днища давлением, действующим со стороны контакта.Obviously, in this case, it is necessary to use a different shape of the surface profile of the bottom of the cylinder, different from the previously known ones, ensuring its operability under the influence of the contact load arising between the connecting flange and the load-bearing shell. In this case, it is necessary to take into account the peculiarities of the contact interaction between the surface of the connecting flange and the surface of the shell. As a first approximation, the reaction of this interaction can be represented in the form of a linearly varying pressure along the generatrix of the bottom profile. To implement such a change in the contact pressure, it is advisable in the structure between the contacting surfaces to install a pressure transducer 4 with a thickness linearly varying along the generatrix of the bottom profile and made of an elastic incompressible material, for example rubber. To ensure the accepted nature of the contact pressure change, it is necessary to provide the wall thickness of the pressure transducer 4 linearly varying along the generatrix of the connecting flange surface with a maximum value in the section of the annular groove of the latter. In this case, the total volume of material forming the pressure transducer 4 must exceed by 10-15% the increment in the volume of the bottom of the power shell 2 when it is loaded with the test pressure. The given values of the material thickness of the transducer 4 are obtained from the condition of displacement of the connecting flange as a rigid body without mutual penetration under variable deformation of the bottom profile and ensuring its equilibrium under the conditions of loading by constant pressure acting from the side of the inner cavity of the cylinder and linearly varying will of the bottom forming pressure acting from the side contact.

В данном случае в качестве формы профиля днища целесообразно использовать профили специальных поверхностей.In this case, it is advisable to use the profiles of special surfaces as the shape of the bottom profile.

К таким поверхностям относятся поверхности, которые в механике называются нодоидными или ундулоидными. Образующие нодоидных и ундулоидных оболочек представлены на фиг. 5 и описываются в параметрической форме следующим образом:Such surfaces include surfaces that are called nodoid or unduloid in mechanics. The generators of the nodoid and unduloid shells are shown in Fig. 5 and are described in parametric form as follows:

Figure 00000003
Figure 00000003

где

Figure 00000004
- модуль эллиптического интеграла,
Figure 00000005
- дополнительный модуль, F, Е - эллиптические интегралы 1-го и 2-го рода,
Figure 00000006
- текущая координата, λ - параметр, характеризующий кривую образующей, r1 - радиус цилиндрической части оболочки.where
Figure 00000004
- elliptic integral modulus,
Figure 00000005
- additional module, F, E - elliptic integrals of the 1st and 2nd kind,
Figure 00000006
is the current coordinate, λ is a parameter characterizing the curve of the generatrix, r 1 is the radius of the cylindrical part of the shell.

При 0<λ<r1/2 оболочка носит название ундулоидной, при r1/2<λ<r1 оболочка носит название нодоидной, при λ=r1/2 оболочка становится сферической. Необходимо отметить, что образующая нодоида (ундулоида) описывается фокусом эллипса (гиперболы), если катить его по прямой линии.For 0 <λ <r 1/2, the shell is called unduloid, for r 1/2 <λ <r 1, the shell is called nodoid, and for λ = r 1/2, the shell becomes spherical. It should be noted that the generatrix of the nodoid (unduloid) is described by the focus of the ellipse (hyperbola), if you roll it in a straight line.

Такие оболочки обладают максимальным объемом, имеют минимальную площадь поверхности, а угол наклона касательной к образующей в них стремится к нулю по мере приближения к месту стыка с цилиндрической или какой-либо другой оболочкой.Such shells have the maximum volume, have the minimum surface area, and the angle of inclination of the tangent to the generatrix in them tends to zero as it approaches the junction with a cylindrical or some other shell.

Нодоидные, ундулоидные оболочки при нагружении их внутренним давлением обладают свойством равнопрочности и имеют преимущество по прочности в сравнении эллиптическими и сферическими оболочками, уровень возникающих напряжений в них при данном виде нагружения значительно ниже. Одним из характерных свойств рассматриваемой оболочки, как легко заметить, является и то, что по мере приближения к месту стыка с цилиндром, имеется достаточно плавное сопряжение оболочки с ним и напряжения изгиба в стыке практически отсутствуют, то есть полностью исключается влияние краевых эффектов.Nodoid, unduloid shells, when loaded by their internal pressure, have the property of uniform strength and have an advantage in strength in comparison with elliptical and spherical shells, the level of stress arising in them for this type of loading is much lower. One of the characteristic properties of the shell under consideration, as it is easy to see, is that as we approach the junction with the cylinder, there is a fairly smooth conjugation of the shell with it and bending stresses at the junction are practically absent, that is, the influence of edge effects is completely excluded.

Исходя из вышеприведенного в предлагаемом решении исполнение поверхности соединительных фланцев (втулок) с одной стороны в форме части нодоида (ундулоида) вращения с максимальным диаметром равным внутреннему диаметру трубки и с обеспечением соотношения меньшего диаметра к диаметру трубки 0.71 - 0.83 обусловлено также степенью обжатия концов трубки при проведении операции пластического деформирования с ограничением максимальных деформаций материала трубки до 28% для исключения потери устойчивости ее формы.Based on the above in the proposed solution, the design of the surface of the connecting flanges (bushings) on one side in the form of a part of a nodoid (unduloid) of rotation with a maximum diameter equal to the inner diameter of the tube and ensuring the ratio of the smaller diameter to the tube diameter 0.71 - 0.83 is also due to the degree of compression of the tube ends at carrying out the operation of plastic deformation with limiting the maximum deformations of the tube material to 28% to exclude the loss of stability of its shape.

Как правило, баллон кроме нагрузки внутренним давлением подвергается нагрузкой типа крутящего момента, возникающего при монтаже штуцеров или вентилей, а также при выполнении операции намотки силовой оболочки. Для обеспечения работоспособности конструкции при воздействии данной нагрузки на соединительных фланцах 3 предусмотрены концевые участки в форме многогранной призмы (некругового цилиндра) отделенный от поверхности нодоида (ундулоида) кольцевой проточкой, обеспечивающие прочное сцепление с композитной оболочкой по принципу шлицевого соединения.As a rule, a cylinder, in addition to being loaded by internal pressure, is subjected to a load such as a torque arising during the installation of fittings or valves, as well as during the operation of winding the load-bearing shell. To ensure the operability of the structure under the influence of this load on the connecting flanges 3, end sections are provided in the form of a multifaceted prism (non-circular cylinder) separated from the surface of the nodoid (unduloid) by an annular groove, providing strong adhesion to the composite shell according to the principle of a spline connection.

В силу того, что относительные радиусы горловин баллона больше 0.7 для реализации метода намотки при изготовлении силовой оболочки с укладкой армирующих волокон по геодезическим траекториям получаемые углы армирования должны находиться в интервале 45-56 градусов. Данное исполнение схемы армирования позволяет существенно упростить процесс изготовления силовой оболочки в силу отсутствия армирования в окружном направлении.Due to the fact that the relative radii of the bottle necks are greater than 0.7 for the implementation of the winding method in the manufacture of the load-bearing shell with the laying of reinforcing fibers along geodetic trajectories, the obtained reinforcement angles should be in the range of 45-56 degrees. This design of the reinforcement scheme makes it possible to significantly simplify the process of manufacturing the load-bearing shell due to the absence of reinforcement in the circumferential direction.

Для обеспечения работоспособности баллона при многоцикловом нагружении внутренним давлением и исходя из ограничений накладываемых на предельные деформации материала трубки (как правило, 0.37-0.4%) и критериальной оценки в форме Менсона-Коффина отношение между мембранными жесткостями металлической тонкостенной трубки и силовой композитной оболочки в кольцевом направлении в интервале должно составлять 0.56 - 0.58. Данное отношение позволяет определить выбор армирущего материала композитной оболочки при известном материале трубки и установить конкретные значения толщин как трубки, так композитного материала. И тем самым проводить рациональное проектирование конструкции баллона.To ensure the operability of the cylinder under multi-cycle loading by internal pressure and based on the limitations imposed on the ultimate deformations of the tube material (as a rule, 0.37-0.4%) and the criterion assessment in the Menson-Coffin form, the ratio between the membrane stiffness of the thin-walled metal tube and the force composite shell in the annular direction in the range should be 0.56 - 0.58. This ratio makes it possible to determine the choice of the reinforcing material of the composite shell with a known tube material and to establish specific values for the thicknesses of both the tube and the composite material. And thus to carry out a rational design of the design of the cylinder.

Работа устройства по изобретению была приведена при описании вариантов выполнения его конструкции и не требует в данном случае дальнейшего специального пояснения.The operation of the device according to the invention has been described in the description of the variants of its construction and does not require further special explanation in this case.

С созданием предложенного устройства появилась реальная возможность использовать баллоны (сосуды) высокого давления из композиционного материала и тонкостенной металлической внутренней оболочкой. Изготовление и испытание сосудов высокого давления с предложенным решением подтвердили их высокую надежность и эффективность.With the creation of the proposed device, it became possible to use high-pressure cylinders (vessels) made of a composite material and a thin-walled metal inner shell. Manufacturing and testing of pressure vessels with the proposed solution confirmed their high reliability and efficiency.

Изобретение не ограничивается вышеописанными формами выполнения, которые даны только для иллюстрации изобретения, и может иметь изменения в рамках формулы изобретения.The invention is not limited to the above-described embodiments, which are given only to illustrate the invention, and may vary within the scope of the claims.

Claims (6)

1. Металлокомпозитный баллон высокого давления с горловинами большого диаметра, содержащий внутреннюю цилиндрическую тонкостенную металлическую трубку, вставленные в нее металлические соединительные фланцы и силовую оболочку из высокопрочных композиционных материалов, отличающийся тем, что поверхность соединительных фланцев с одной стороны выполнена в форме части нодоида или ундулоида вращения с максимальным диаметром, равным внутреннему диаметру трубки, и с обеспечением соотношения меньшего диаметра к диаметру трубки 0.71 - 0.83 и имеет концевой участок в форме многогранной призмы некругового цилиндра, отделенный от поверхности нодоида или ундулоида кольцевой проточкой, а концы трубки методом пластического деформирования обжаты по поверхностям фланцев в форме нодоидов или ундулоидов и зафиксированы в кольцевых проточках резьбовых фланцев, при этом силовая оболочка из композиционных материалов состоит из слоев высокопрочных и высокомодульных нитей спирального армирования с углами армирования 45-56° с обеспечением соотношения между мембранными жесткостями металлической тонкостенной трубки и силовой композитной оболочки в кольцевом направлении в интервале 0.56 - 0.58 и плотно охватывает концевые участков соединительных фланцев некруговой формы с образованием прочного соединения с ними.1. A metal-composite high-pressure cylinder with large-diameter necks, containing an inner cylindrical thin-walled metal tube, metal connecting flanges inserted into it and a load-bearing shell made of high-strength composite materials, characterized in that the surface of the connecting flanges on one side is made in the form of a part of a nodoid or unduloid of revolution with a maximum diameter equal to the inner diameter of the tube and ensuring the ratio of the smaller diameter to the tube diameter of 0.71 - 0.83 and has an end section in the form of a multifaceted prism of a non-circular cylinder, separated from the surface of the nodoid or unduloid by an annular groove, and the ends of the tube are compressed along the surfaces by plastic deformation flanges in the form of nodoids or unduloids and are fixed in the annular grooves of the threaded flanges, while the load-bearing shell made of composite materials consists of layers of high-strength and high-modulus spiral reinforcement threads with reinforcement corners 45-56 ° with the provision of the ratio between the membrane stiffness of the thin-walled metal tube and the load-bearing composite shell in the annular direction in the range of 0.56 - 0.58 and tightly covers the end sections of the connecting flanges of a non-circular shape with the formation of a strong connection with them. 2. Металлокомпозитный баллон по п. 1, отличающийся тем, что в образующемся пространстве между поверхностями соединительных фланцев в форме нодоидов и поверхностями деформированных концов трубки с плотным контактом помещен преобразователь давления, в виде набора раскрепленных между собой прослоек переменной толщины из разноплотного упругого несжимаемого материала, например резины.2. A metal-composite balloon according to claim 1, characterized in that a pressure transducer is placed in the resulting space between the surfaces of the connecting flanges in the form of nodoids and the surfaces of the deformed ends of the tube with a tight contact, in the form of a set of interlayers of variable thickness, interleaved with each other, made of an elastic incompressible material of different density, for example rubber. 3. Металлокомпозитный баллон по п. 2, отличающийся тем, что суммарный объем упругого несжимаемого материала преобразователя давления превышает на 10-15% приращение объема днища силовой оболочки при ее деформировании.3. A metal-composite balloon according to claim 2, characterized in that the total volume of the elastic incompressible material of the pressure transducer exceeds by 10-15% the increment in the volume of the bottom of the force shell during its deformation. 4. Металлокомпозитный баллон по п. 2, отличающийся тем, что между контактными поверхностями соединительных фланцев и поверхностями деформированных концов трубки установлены герметизирующие прослойки или уплотняющие упругие кольца.4. A metal-composite cylinder according to claim 2, characterized in that between the contact surfaces of the connecting flanges and the surfaces of the deformed ends of the tube, sealing interlayers or sealing elastic rings are installed. 5. Металлокомпозитный баллон по п. 4, отличающийся тем, что герметизирующие уплотняющие кольца установлены в кольцевых проточках соединительных фланцев.5. A metal-composite cylinder according to claim 4, characterized in that the sealing sealing rings are installed in the annular grooves of the connecting flanges. 6. Металлокомпозитный баллон по п. 4, отличающийся тем, что герметизирующие уплотняющие кольца между контактирующими поверхностями втулок и концами тонкостенной трубки установлены в сечении переходов цилиндрической поверхности трубки в поверхность нодоидов или ундулоидов.6. A metal-composite cylinder according to claim 4, characterized in that the sealing sealing rings between the contacting surfaces of the bushings and the ends of the thin-walled tube are installed in the cross-section of the transitions of the cylindrical surface of the tube into the surface of the nodoids or unduloids.
RU2020136258A 2020-11-05 2020-11-05 High-pressure metal-composite cylinder with large-diameter necks RU2754572C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020136258A RU2754572C1 (en) 2020-11-05 2020-11-05 High-pressure metal-composite cylinder with large-diameter necks

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020136258A RU2754572C1 (en) 2020-11-05 2020-11-05 High-pressure metal-composite cylinder with large-diameter necks

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2754572C1 true RU2754572C1 (en) 2021-09-03

Family

ID=77670215

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020136258A RU2754572C1 (en) 2020-11-05 2020-11-05 High-pressure metal-composite cylinder with large-diameter necks

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2754572C1 (en)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU219964A1 (en) * В. Б. Черевацкий ELEMENT OF SHELL BOTTLE, TANK OR TANK
RU2338955C1 (en) * 2007-03-01 2008-11-20 Общество с ограниченной ответственностью "РИФ" технологии" High-pressure vessel (versions)
RU2393375C2 (en) * 2008-08-27 2010-06-27 Сергей Владимирович ЛУКЬЯНЕЦ High pressure vessel
RU191996U1 (en) * 2018-12-14 2019-08-29 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем химико-энергетических технологий Сибирского отделения Российской академии наук (ИПХЭТ СО РАН) SEALED THROUGH ELEMENT OF HIGH PRESSURE POLYMER COMPOSITE VESSEL
RU2724394C2 (en) * 2016-04-06 2020-06-23 Хексагон Текнолоджи Ас Vented lug for pressure vessel with sintered metal insert

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU219964A1 (en) * В. Б. Черевацкий ELEMENT OF SHELL BOTTLE, TANK OR TANK
RU2338955C1 (en) * 2007-03-01 2008-11-20 Общество с ограниченной ответственностью "РИФ" технологии" High-pressure vessel (versions)
RU2393375C2 (en) * 2008-08-27 2010-06-27 Сергей Владимирович ЛУКЬЯНЕЦ High pressure vessel
RU2724394C2 (en) * 2016-04-06 2020-06-23 Хексагон Текнолоджи Ас Vented lug for pressure vessel with sintered metal insert
RU191996U1 (en) * 2018-12-14 2019-08-29 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем химико-энергетических технологий Сибирского отделения Российской академии наук (ИПХЭТ СО РАН) SEALED THROUGH ELEMENT OF HIGH PRESSURE POLYMER COMPOSITE VESSEL

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Kabir Finite element analysis of composite pressure vessels with a load sharing metallic liner
Bushnell Buckling of shells-pitfall for designers
US4699288A (en) High pressure vessel construction
JP2722237B2 (en) Tubular body containing composite layers with different elastic moduli
RU2393375C2 (en) High pressure vessel
CN113154247B (en) Preparation method of high-pressure hydrogen storage cylinder
EP2470796B1 (en) Composite piston accumulator
CN111368439A (en) Design method of pressure container based on winding forming process
RU2754572C1 (en) High-pressure metal-composite cylinder with large-diameter necks
Davidson et al. The design of pressure vessels for very high pressure operation
Beyle et al. Composite risers for deep-water offshore technology: Problems and prospects. 1. Metal-composite riser
RU2353851C1 (en) High-pressure cylinder lining tube
Lin et al. Prediction of composite pressure vessel dome contour and strength analysis based on a new fiber thickness calculation method
Coskun et al. Design of the composite hydraulic cylinder with geodesic dome trajectory: A numerical study
KR20180009026A (en) wire wound pressure vessel
Wang et al. Modelling and optimal design of thick-walled composite pipes under in-service conditions
CN113414556A (en) Metal composite air port for satellite pressure container and manufacturing method thereof
Otte et al. High Pressure Lightweight Hydraulic Fully Composite Piston Accumulators
Singh et al. Pressure Vessels
Ding et al. A Comparative Study on the Post-Buckling Behavior of Reinforced Thermoplastic Pipes (RTPs) Under External Pressure Considering Progressive Failure
RU193002U1 (en) COMPRESSED NATURAL GAS STORAGE CYLINDER
Elgohary et al. Stress analysis of multi-layered composite cylinders subjected to various loadings
Assam et al. A theoretical and design analysis of the filament-wound composite pressure vessels
Ge et al. Prediction of ultimate burst pressure and comparison of failure criteria for thermoplastic composite pipes
Teng Collapse strength of complex metal shell intersections by the effective area method