薄壁金屬內(nèi)襯纖維全纏繞輕質(zhì)高壓氣瓶的纏繞和固化方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種薄壁金屬內(nèi)襯纖維全纏繞輕質(zhì)高壓氣瓶的纏繞和固化方法；具體為：A、將內(nèi)襯充氣至壓力Pc后密封處理，Pc保證內(nèi)襯在充氣狀態(tài)下仍然停留在彈性區(qū)；B、用與樹(shù)脂膠液混合后的纖維以螺旋和環(huán)向的形式在內(nèi)襯表面進(jìn)行濕法纏繞，纏繞至內(nèi)襯表面被完全包覆；C、對(duì)完成纏繞的氣瓶進(jìn)行固化；D、固化后的氣瓶繼續(xù)充氣至壓力Pcn后，重復(fù)步驟B、C；其中，一次纏繞固化后氣瓶對(duì)應(yīng)的Pcn為Pcn，二次纏繞固化后氣瓶對(duì)應(yīng)的Pcn為Pcn，依次類推；E、重復(fù)步驟D，直至完成氣瓶的n次充氣與n次纏繞固化。與現(xiàn)有的纏繞工藝相比，本發(fā)明可避免薄壁金屬內(nèi)襯在纏繞及固化過(guò)程中失穩(wěn)現(xiàn)象的發(fā)生，從而獲得具有高容積特性系數(shù)的復(fù)合材料氣瓶。
【專利說(shuō)明】薄壁金屬內(nèi)襯纖維全纏繞輕質(zhì)高壓氣瓶的纏繞和固化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及薄壁金屬內(nèi)襯復(fù)合材料氣瓶，具體涉及一種薄壁金屬內(nèi)襯纖維全纏繞輕質(zhì)高壓氣瓶的纏繞和固化方法。
【背景技術(shù)】
[0002]高壓氣瓶的空間應(yīng)用非常廣泛，如空間推進(jìn)系統(tǒng)各種氣瓶、空間站環(huán)控和生命支撐系統(tǒng)壓力容器等。復(fù)合材料氣瓶的質(zhì)量?jī)H為鈦合金的40%左右，且具有破裂前先泄漏(LBB)的疲勞失效模式，可增大有效載荷比、降低發(fā)射成本費(fèi)用。目前，國(guó)外衛(wèi)星、運(yùn)載火箭和導(dǎo)彈等航天系統(tǒng)傳統(tǒng)鈦合金高壓氣瓶已逐漸被復(fù)合材料纏繞高壓氣瓶取代。復(fù)合材料氣瓶相比傳統(tǒng)全金屬氣瓶具有質(zhì)量輕、抗爆、可監(jiān)控、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活等特點(diǎn)。其常用纏繞層材料為碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料(CF/EP)，具有密度小、高比強(qiáng)度、高比模量、熱膨脹系數(shù)小等特性。
[0003]迄今為止，復(fù)合材料壓力容器已發(fā)展成為航空航天結(jié)構(gòu)動(dòng)力系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部件之一，無(wú)論從結(jié)構(gòu)重量還是從占據(jù)的幾何空間上看，都占有極高的比例，而其減重是制約著新一代發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的研制和發(fā)展的瓶頸。如何設(shè)計(jì)和制造出輕量化的復(fù)合材料壓力容器，最大化地減輕系統(tǒng)的重量，是航空航天動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)者和復(fù)合材料研究人員追求的永恒目標(biāo)。世界發(fā)達(dá)國(guó)家無(wú)不將發(fā)展航空航天動(dòng)力系統(tǒng)用輕量化復(fù)合材料壓力容器作為國(guó)家重點(diǎn)科研課題之一，如美國(guó)NASA提出的新航空研究計(jì)劃(New Aeronautics Research Program)、2030年前的太空探索規(guī)劃(3rd space exploration conference&exhibit)、歐洲木星探索計(jì)劃等，均將發(fā)展輕量化復(fù)合材料壓力容器技術(shù)列為太空探索的關(guān)鍵技術(shù)之一，并對(duì)這些技術(shù)實(shí)行嚴(yán)密的封鎖。
[0004]新一代航天動(dòng)力系統(tǒng)使用的復(fù)合材料氣瓶要求重量輕，需實(shí)現(xiàn)較高的氣瓶容重t匕。NASA研究機(jī)構(gòu)的相關(guān)資料表明，在相同的工作壓力下，采用薄壁金屬內(nèi)襯對(duì)復(fù)合材料氣瓶的減重最為顯著。但是，在薄壁氣瓶的纏繞過(guò)程中，易發(fā)生徑向失穩(wěn)現(xiàn)象。失穩(wěn)是外壓容器主要的失效形式之一，特點(diǎn)是失穩(wěn)發(fā)生狀態(tài)下容器應(yīng)力水平往往小于材料強(qiáng)度(剛性筒除外)?？紤]到纏繞過(guò)程中，纖維張力引起的預(yù)緊力可以等效為外壓，由此可能導(dǎo)致薄壁內(nèi)襯在纏繞過(guò)程中發(fā)生失穩(wěn)情況。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種避免薄壁金屬內(nèi)襯失穩(wěn)的薄壁金屬內(nèi)襯纖維全纏繞輕質(zhì)高壓氣瓶的纏繞和固化方法。
[0006]本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn):
[0007]本發(fā)明涉及一種薄壁金屬內(nèi)襯纖維全纏繞輕質(zhì)高壓氣瓶的纏繞和固化方法，所述方法包括如下步驟:
[0008]A、將薄壁金屬內(nèi)襯充氣至壓力Pc(不高于內(nèi)襯液壓實(shí)驗(yàn)值)后進(jìn)行密封處理，所述充氣壓力P。保證薄壁金屬內(nèi)襯在充氣狀態(tài)下仍然停留在彈性區(qū)；[0009]B、用與樹(shù)脂膠液混合后的纖維以螺旋和環(huán)向的形式在薄壁金屬內(nèi)襯表面進(jìn)行濕法纏繞，纏繞至預(yù)設(shè)層數(shù)，此時(shí)薄壁金屬內(nèi)襯表面被完全包覆；
[0010]C、對(duì)完成步驟B纏繞的氣瓶進(jìn)行固化；
[0011]D、將固化后的氣瓶繼續(xù)充氣至充氣壓力Pm后，重復(fù)步驟B、C ;其中，一次纏繞、固化后氣瓶對(duì)應(yīng)的充氣壓力Pm為Pca, 二次纏繞、固化后氣瓶對(duì)應(yīng)的充氣壓力Pm為Ρ?，依次類推；
[0012]Ε、重復(fù)步驟D，直至完成氣瓶的η次充氣與η次纏繞、固化，即可。
[0013]優(yōu)選地，所述充氣壓力P。的確定具體為:根據(jù)金屬內(nèi)襯的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對(duì)氣瓶的爆破壓力Ph和水壓試驗(yàn)壓力Ps進(jìn)行校核，在保證氣瓶充壓與纖維張力平衡的情況下，確定薄壁內(nèi)襯充氣壓力P。。
[0014]優(yōu)選地，所述樹(shù)脂膠液為中低溫?zé)峁绦原h(huán)氧樹(shù)脂膠液，其最高固化溫度低于或等于 120。。。
[0015]優(yōu)選地，所述纖維為碳纖維、PBO纖維或芳綸纖維。
[0016]優(yōu)選地，所述纏繞的線型包括簡(jiǎn)體部分環(huán)向纏繞和橢圓曲面尾部、肩部及簡(jiǎn)體部分的螺旋纏繞。所述纏繞層的鋪層順序遵循纖維纏繞網(wǎng)格理論，同時(shí)滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。
[0017]優(yōu)選地，第一次固化時(shí)，將完成步驟B纏繞的氣瓶進(jìn)行充補(bǔ)氣至P。后進(jìn)行固化。
[0018]優(yōu)選地，所述固化具體為:室溫升溫30分鐘至100°C，保溫I小時(shí)；100°C升溫20分鐘至120°C，保溫2小時(shí)；120°C升溫20分鐘至140°C，保溫2小時(shí)；降溫至60°C，自然冷卻至室溫，即可。
[0019]優(yōu)選地，所述充氣壓力Pm的確定具體為:對(duì)完成η次固化后的氣瓶爆破壓力Phn和水壓試驗(yàn)壓力Psn進(jìn)行校核，在保證氣瓶充壓與纖維張力平衡的情況下，確定充氣壓力Pm。
[0020]優(yōu)選地,所述薄壁金屬內(nèi)襯的壁厚小于或等于2mm。
[0021 ] 優(yōu)選地，所述薄壁金屬內(nèi)襯為鈦合金內(nèi)襯或鋁合金內(nèi)襯。
[0022]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有的有益效果為:在保證輕質(zhì)的要求下，內(nèi)襯壁厚較小，而壓力容器纏繞所需張力較大，會(huì)出現(xiàn)纏繞過(guò)程中內(nèi)襯失穩(wěn)的情況，通過(guò)本發(fā)明的工藝，根據(jù)壓力容器不同工作壓力、爆破壓力及循環(huán)壽命等的不同，設(shè)計(jì)薄壁金屬內(nèi)襯不同的充氣壓力，來(lái)平衡纏繞張力引起的內(nèi)襯載荷。從而避免薄壁金屬內(nèi)襯在纏繞及固化過(guò)程中失穩(wěn)現(xiàn)象的發(fā)生，從而獲得具有高容積特性系數(shù)的復(fù)合材料氣瓶。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0023]通過(guò)閱讀參照以下附圖對(duì)非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯:
[0024]圖1為薄壁金屬內(nèi)襯纖維全纏繞輕質(zhì)高壓氣瓶的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]其中，I為簡(jiǎn)體部分，2為橢圓曲面尾部，3為橢圓曲面肩部。
【具體實(shí)施方式】
[0026]下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0027]實(shí)施例
[0028]本實(shí)施例涉及用于薄壁金屬內(nèi)襯纖維全纏繞輕質(zhì)高壓氣瓶的纏繞和固化方法，該方法包括以下步驟:
[0029](I)薄壁金屬內(nèi)襯纖維全纏繞輕質(zhì)高壓氣瓶的內(nèi)襯的材質(zhì)為6061鋁合金，該內(nèi)襯的厚度為1.0mm，氣瓶液壓強(qiáng)度試驗(yàn)壓力與爆破壓力分別為1.0MPa和2.3MPa，通過(guò)計(jì)算確定內(nèi)襯纏繞前的充氣壓力為0.6MPa。
[0030]高壓容器在承受內(nèi)壓作用下的彈性應(yīng)力公式為:
【權(quán)利要求】
1.一種薄壁金屬內(nèi)襯纖維全纏繞輕質(zhì)高壓氣瓶的纏繞和固化方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟: A、將薄壁金屬內(nèi)襯充氣至壓力P。后進(jìn)行密封處理，所述充氣壓力P。保證薄壁金屬內(nèi)襯在充氣狀態(tài)下仍然停留在彈性區(qū)； B、用與樹(shù)脂膠液混合后的纖維以螺旋和環(huán)向的形式在薄壁金屬內(nèi)襯表面進(jìn)行濕法纏繞，纏繞至預(yù)設(shè)層數(shù)，此時(shí)薄壁金屬內(nèi)襯表面被完全包覆； C、對(duì)完成步驟B纏繞的氣瓶進(jìn)行固化； D、將固化后的氣瓶繼續(xù)充氣至充氣壓力Pm后，重復(fù)步驟B、C;其中，一次纏繞、固化后氣瓶對(duì)應(yīng)的充氣壓力Pm為Pca, 二次纏繞、固化后氣瓶對(duì)應(yīng)的充氣壓力Pm為Pc^依次類推； E、重復(fù)步驟D，直至完成氣瓶的η次充氣與η次纏繞、固化，即可。
2.如權(quán)利要求1所述的薄壁金屬內(nèi)襯纖維全纏繞輕質(zhì)高壓氣瓶的纏繞和固化方法,其特征在于，所述充氣壓力P。的確定具體為:根據(jù)金屬內(nèi)襯的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對(duì)氣瓶的爆破壓力Ph和水壓試驗(yàn)壓力Ps進(jìn)行校核，在保證氣瓶充壓與纖維張力平衡的情況下，確定薄壁內(nèi)襯充氣壓力P。。
3.如權(quán)利要求1所述的薄壁金屬內(nèi)襯纖維全纏繞輕質(zhì)高壓氣瓶的纏繞和固化方法，其特征在于，所述樹(shù)脂膠液為中低溫?zé)峁绦原h(huán)氧樹(shù)脂膠液，其最高固化溫度低于或等于120。。。
4.如權(quán)利要求1所述的薄壁金屬內(nèi)襯纖維全纏繞輕質(zhì)高壓氣瓶的纏繞和固化方法,其特征在于，所述纖維為碳纖維、PBO纖維或芳綸纖維。
5.如權(quán)利要求1所述的薄壁金屬內(nèi)襯纖維全纏繞輕質(zhì)高壓氣瓶的纏繞和固化方法,其特征在于，所述纏繞的線型包括簡(jiǎn)體部分環(huán)向纏繞和橢圓曲面尾部、肩部及簡(jiǎn)體部分的螺旋纏繞。
6.如權(quán)利要求1所述的薄壁金屬內(nèi)襯纖維全纏繞輕質(zhì)高壓氣瓶的纏繞和固化方法,其特征在于，第一次固化時(shí)，將完成步驟B纏繞的氣瓶進(jìn)行充補(bǔ)氣至P。后進(jìn)行固化。
7.如權(quán)利要求1或6所述的薄壁金屬內(nèi)襯纖維全纏繞輕質(zhì)高壓氣瓶的纏繞和固化方法，其特征在于，所述固化具體為:室溫升溫30分鐘至100°C，保溫I小時(shí)；100°C升溫20分鐘至120°C，保溫2小時(shí)；120°C升溫20分鐘至140°C，保溫2小時(shí)；降溫至60°C，自然冷卻至室溫，即可。
8.如權(quán)利要求1所述的薄壁金屬內(nèi)襯纖維全纏繞輕質(zhì)高壓氣瓶的纏繞和固化方法,其特征在于，所述充氣壓力Pm的確定具體為:對(duì)完成η次固化后的氣瓶爆破壓力Phn和水壓試驗(yàn)壓力Psn進(jìn)行校核，在保證氣瓶充壓與纖維張力平衡的情況下，確定充氣壓力Pm。
9.如權(quán)利要求1所述的薄壁金屬內(nèi)襯纖維全纏繞輕質(zhì)高壓氣瓶的纏繞和固化方法,其特征在于，所述薄壁金屬內(nèi)襯的壁厚小于或等于2mm。
10.如權(quán)利要求1所述的薄壁金屬內(nèi)襯纖維全纏繞輕質(zhì)高壓氣瓶的纏繞和固化方法，其特征在于，所述薄壁金屬內(nèi)襯為鈦合金內(nèi)襯或鋁合金內(nèi)襯。
【文檔編號(hào)】F17C1/06GK103994319SQ201310582883
【公開(kāi)日】2014年8月20日 申請(qǐng)日期:2013年11月19日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月19日
【發(fā)明者】王曉蕾, 童喆益, 沈俊, 田桂, 晏飛, 馮雪, 田杰 申請(qǐng)人:上海復(fù)合材料科技有限公司, 上?？臻g推進(jìn)研究所