本實用新型涉及一種含有金屬內襯的碳纖維復合材料承壓身管結構。

背景技術：

現(xiàn)代軍事技術的發(fā)展要求未來武器裝備具有輕便、機動、靈活快速反應等特點，因此必須大力開發(fā)新型結構和功能材料。其中纖維復合材料具有輕質、高強、不銹蝕、耐腐蝕、耐疲勞及可設計性好等優(yōu)點，是目前應用最為廣泛的一類新型材料。但纖維復合材料的抗燒蝕能力和密閉性較差，所以一般在纖維復合材料發(fā)射筒的內壁附加一層金屬材料，這種含金屬內襯的纖維復合材料發(fā)射筒不僅質量輕、可設計性強，還具有很好的密封性，可滿足各種武器平臺對發(fā)射筒的使用要求，具有廣泛的應用前景。目前我國部隊采用的發(fā)射筒身管仍采用全金屬制作，過重的發(fā)射筒不方便戰(zhàn)士攜帶，作戰(zhàn)的靈活機動性也較差。

如果直接在金屬內襯外表面纏繞碳纖維復合材料來制作身管，也存在一些技術上的不足:

其一：金屬內襯外表面纏繞的復合材料層需要高溫固化，如采用熱固性聚酰亞胺樹脂，固化溫度達三百度以上，在這么高的固化溫度下，金屬內襯發(fā)生膨脹，而外表面的碳纖維復合材料層對溫度不敏感，高溫下基本不發(fā)生膨脹，金屬內襯熱膨脹后將外表面纏繞的碳纖維復合材料層撐開，固化冷卻后，金屬內襯發(fā)生收縮，容易在復合材料層與金屬內襯界面產生間隙，發(fā)生結合不緊密的情況，導致碳纖維復合材料層無法起到加固身管環(huán)向強度的作用。

其二：金屬內襯的模量一般為200GPa，屈服強度為1280MPa，而碳纖維(T800)復合材料層環(huán)向模量一般小于金屬的模量，一般為180GPa，強度為3000MPa左右，因為復合材料的環(huán)向模量小于金屬內襯，所以在實彈發(fā)射時，碳纖維復合材料層上的環(huán)向應力小于金屬內襯上的環(huán)向應力更遠遠低于其自身強度，造成材料的浪費。

技術實現(xiàn)要素：

本實用新型所要解決的技術問題是針對上述現(xiàn)有技術提供一種含金屬內襯碳纖維復合材料身管，提高金屬內襯與作為加固件的碳纖維復合材料層之間的接觸緊密性。利用金屬塑性變形的特性使金屬內襯在外部高壓作用下環(huán)向發(fā)生不可恢復的塑性變形，同時金屬內襯外的碳纖維復合材料層保持彈性變形狀態(tài)，產生環(huán)向拉應力，從而使金屬內襯在碳纖維復合材料層的作用下產生環(huán)向壓應力。當金屬內襯內腔受到壓力時，環(huán)向壓應力將抵消部分金屬內襯承受的拉應力，從而改善金屬內襯的受力狀況。而且，如果金屬內襯中有細微裂紋存在，由于環(huán)向壓應力的存在，可延緩其發(fā)展過程，從而提高身管耐疲勞性能。

本實用新型解決上述問題所采用的技術方案為：一種金屬內襯纏繞碳纖維復合材料身管，包括金屬內襯、金屬尾管和碳纖維復合材料層，所述金屬內襯和金屬尾管銜接，所述金屬內襯的筒身外周成型有環(huán)形凹槽，所述碳纖維復合材料層對應纏繞在所述環(huán)形凹槽內，并且所述碳纖維復合材料層具有環(huán)向壓緊該金屬內襯的趨勢。

金屬內襯的兩端設置有連接螺紋，若干金屬內襯之間通過螺紋實現(xiàn)依次連接，金屬尾管與末端金屬內襯相連接。金屬尾管設置在身管的末端部位，無需碳纖維復合材料層的加固。

制造上述含金屬內襯碳纖維復合材料身管的方法，提高金屬內襯與碳纖維復合材料層間的接觸緊密性，將碳纖維復合材料均勻環(huán)向纏繞至金屬內襯的環(huán)形凹槽上，高溫固化完成后，將金屬內襯兩端暫時密封，用水壓機對含金屬內襯碳纖維復合材料身管內腔進行加壓，加壓過程中記錄水壓與碳纖維復合材料層的環(huán)向應變，用于判斷碳纖維復合材料層與金屬內襯界面之間的松緊狀況及金屬內襯的應力狀態(tài)；假設金屬內襯的屈服強度為1280MPa，彈性模量為200GPa，碳纖維(T800)復合材料層環(huán)向強度為3000MPa，環(huán)向模量為180GPa，則金屬內襯發(fā)生彈性應變的最大值為0.64%，碳纖維復合材料層的極限應變?yōu)?.67%。當金屬內襯被判斷出發(fā)生塑性變形并且碳纖維復合材料層所產生的環(huán)向變形量大于金屬內襯的環(huán)向彈性變形量的最大值時，泄壓，可以通過調整碳纖維復合材料層產生的環(huán)向變形量與0.64%的差值的大小來調整金屬內襯與碳纖維復合材料層間預應力的大小；泄壓完成后，測量金屬內襯內壁尺寸，并車加工至需要的口徑；最后將做好的纏繞有碳纖維復合材料層的若干金屬內襯依次首尾連接，并將金屬尾管連接到末端的金屬內襯的端部，即為身管。

與現(xiàn)有技術相比，本實用新型具有如下特點：

1、本實用新型的身管可作為炮筒使用，身管采用分段連接設計方式，若干帶有碳纖維復合材料層的金屬內襯之間通過螺紋連接，再依次與金屬尾管及支架等組裝，可減輕身管每段的重量，便于戰(zhàn)士攜帶，纏繞碳纖維復合材料層的金屬內襯結構堅固，便于進行打壓工序。

2、本實用新型的提高金屬內襯和碳纖維復合材料層間接觸緊密性的工藝，利用了金屬內襯在水壓作用下發(fā)生可恢復的彈性形變和不可恢復的塑性形變的特性，使碳纖維復合材料層對金屬內襯產生了環(huán)向預應力，從而使兩者接觸更加緊密，碳纖維復合材料層受到一個環(huán)向拉應力，而金屬內襯受到一個環(huán)向壓應力，相應的身管在作為炮筒使用的情況下，當發(fā)射使炮筒內產生高膛壓時，金屬內襯受到的環(huán)向壓應力將抵消部分火藥氣體帶來的巨大拉應力，從而改善金屬內襯的受力狀況。如果金屬內襯中有細微裂紋存在，由于壓應力的存在，可延緩其發(fā)展過程，從而提高身管的抗疲勞性能。

3、本實用新型的身管可以使碳纖維復合材料層更多地承擔環(huán)向承壓負荷，充分發(fā)揮碳纖維復合材料高強度的優(yōu)勢，使整個身管結構受力更加合理，使采用低牌號低模量（例如T700級）碳纖維進行纏繞成為可能性，提高了產品的經濟性。

附圖說明

圖1為本實用新型實施例中身管的后半部分結構示意圖；

圖2為本實用新型實施例中身管的前半部分結構示意圖；

圖3為本實用新型實施例中未車削螺紋的金屬內襯和碳纖維復合材料層的組裝示意圖。

具體實施方式

以下結合附圖實施例對本實用新型作進一步詳細描述。

如圖1至3所示，本實施例中的身管，可作為發(fā)射炮筒使用，包括若干金屬內襯2，和與金屬內襯數(shù)量相等的碳纖維復合材料層3和金屬尾管1，各金屬內襯2的兩端分別設置有（內、外）連接螺紋2.2，若干金屬內襯2之間依次通過螺紋首尾連接，金屬尾管1與末端金屬內襯2連接，金屬內襯2的筒身外周成型有環(huán)形凹槽2.1，碳纖維復合材料一一對應纏繞在各金屬內襯2的環(huán)形凹槽2.1內以形成前述的碳纖維復合材料層3，并且所述碳纖維復合材料層3始終具有環(huán)向壓緊該金屬內襯2的趨勢，金屬內襯2兩端作為待車削成上述連接螺紋2.2的相應部位4。

身管采用了分段組裝的設計方式，可減輕身管每段的重量，便于戰(zhàn)士攜帶，纏繞碳纖維復合材料層的金屬內襯結構堅固，耐沖擊壓能力強，提高了身管的使用壽命。

身管的制造方法具體為，將碳纖維復合材料纏繞至金屬內襯的環(huán)形凹槽上，高溫固化后，將金屬內襯兩端暫時密封，用水壓機對含金屬內襯碳纖維復合材料身管內腔進行加壓，加壓過程中記錄水壓與碳纖維復合材料層的環(huán)向應變，用于判斷碳纖維復合材料層與金屬內襯界面之間的松緊狀況及金屬內襯的應力狀態(tài)；當金屬內襯被判斷出發(fā)生塑性變形并且碳纖維復合材料層所產生的環(huán)向變形量大于金屬內襯的環(huán)向彈性變形量的最大值時，泄壓，可以通過調整碳纖維復合材料層產生的環(huán)向變形量與金屬內襯產生的環(huán)向彈性變形量差值的大小來調整金屬內襯與碳纖維復合材料層間預應力的大?。恍箟和瓿珊?，去掉兩端密封裝置，測量金屬內襯內壁尺寸，并車加工至需要的口徑；最后將做好的纏有碳纖維復合材料層的若干金屬內襯依次首尾連接，并將金屬尾管連接到末端的金屬內襯的端部，即為身管。

上述身管的制造工藝使碳纖維復合材料層與金屬內襯之間產生了環(huán)向預應力，從而使兩者接觸更加緊密，碳纖維復合材料碳纖維復合材料層受到一個環(huán)向拉應力，而金屬內襯受到一個環(huán)向壓應力，從而改善金屬內襯的受力狀況。