復(fù)合材料氣瓶設(shè)計與制造的兩步成型方法及應(yīng)用的制作方法
【專利摘要】一種復(fù)合材料氣瓶設(shè)計與制造的兩步成型方法及應(yīng)用，屬于壓力容器設(shè)計與制造領(lǐng)域。將氣瓶的設(shè)計工作壓力P工分解為基本工作壓力P基和附加工作壓力P附。分別根據(jù)P基?、P附。進行氣瓶的第一步加工成型，其中氣瓶的自緊操作在第一步加工成型的過程中完成；再進行第二步的纏繞和固化加工，固化時的最高溫度適當(dāng)調(diào)低，得到最終成型產(chǎn)品。本發(fā)明減少用作內(nèi)襯的鋁合金材料用量，優(yōu)化其結(jié)構(gòu)重量；降低此類氣瓶的自緊壓力，降低纖維與樹脂在自緊過程中的斷裂率，進而保證氣瓶的總體力學(xué)性能。另外，減小相關(guān)設(shè)備的承載負荷，延長其使用壽命。
【專利說明】復(fù)合材料氣瓶設(shè)計與制造的兩步成型方法及應(yīng)用
[0001]【技術(shù)領(lǐng)域】
本發(fā)明涉及一種纖維全纏繞金屬內(nèi)膽的高壓氣瓶成型及應(yīng)用，特別是35MPa及以上高壓氣瓶的成型，屬于壓力容器設(shè)計與制造領(lǐng)域。
[0002]【背景技術(shù)】
在國內(nèi)，復(fù)合材料高壓氣瓶的設(shè)計制造領(lǐng)域，相關(guān)的專利技術(shù)和文獻一般適用于30MPa及以下的氣瓶的設(shè)計與制造工藝，如浙江大學(xué)鄭傳祥、曹堃等發(fā)明的03150968.1 “復(fù)合材料壓力容器”，哈爾濱工業(yè)大學(xué)赫曉東、王榮國等發(fā)明的200510010151.6“大尺寸、超薄金屬內(nèi)襯的復(fù)合材料壓力容器及其制造方法”等。根據(jù)經(jīng)典熱力學(xué)中的克拉伯龍方程，對于一定容積的高壓氣瓶，充裝氣體的質(zhì)量與壓強呈正比例關(guān)系。也就是說，氣瓶的設(shè)計充裝壓力越高，則所能容納的氣體就越多，這對于終端用戶和生產(chǎn)廠家來說，其意義無疑是顯然的。
[0003]對于國內(nèi)的常用氣瓶，若充裝介質(zhì)為壓縮天然氣，其工作壓力一般不超過30MPa，采用一次纏繞固化成型即可。但若充裝介質(zhì)為壓縮氫氣，其工作壓力一般在35MPa、70MPa及以上，如果仍采用一次固化成型技術(shù)，其材料用量將相應(yīng)增大，如內(nèi)膽的壁厚增加和鋪層增厚等，生產(chǎn)過程中的自緊壓力也相應(yīng)很高，相關(guān)設(shè)備的承載和能耗也相應(yīng)增加。另外，對于較厚的復(fù)合材料鋪層，若采用一次纏繞固化工藝，較高的自緊壓力必將使裂紋加劇產(chǎn)生，進而導(dǎo)致復(fù)合材料層的總體力學(xué)性能降低。
[0004]
【發(fā)明內(nèi)容】

針對35MPa及以上工作壓力的高壓氣瓶成型，本發(fā)明的目的主要在于減少用作內(nèi)襯的鋁合金材料用量，優(yōu)化其結(jié)構(gòu)重 量；降低此類氣瓶的自緊壓力，降低纖維與樹脂在自緊過程中的斷裂率，進而保證氣瓶的總體力學(xué)性能。另外，減小相關(guān)設(shè)備的承載負荷，延長其使用壽命。
[0005]為解決上述問題，本發(fā)明采用的方案是:
一種復(fù)合材料氣瓶設(shè)計與制造的兩步成型方法，其特征在于該方法包括以下步驟:步驟一、對氣瓶所用的金屬和纖維分別做力學(xué)拉伸試驗，得到材料的彈性模量、剪切模量、泊松比，以及屈服強度和抗拉強度數(shù)據(jù)；
步驟二、將氣瓶的設(shè)計工作壓力P工分解為基本工作壓力Pa^P附加工作壓力P?，基本工作壓力取較低的、常用氣瓶的工作壓力；
步驟三、根據(jù)步驟一中獲得的數(shù)據(jù)，按相關(guān)標準中的要求，以Ps為氣瓶工作壓力進行有限元設(shè)計和仿真分析，確定氣瓶的形狀參數(shù)和工藝數(shù)據(jù)，并使氣瓶的各種受力狀態(tài)和應(yīng)變符合標準要求，并分別記錄氣瓶在工作壓力P*、疲勞試驗壓力Ρ?β和設(shè)計爆破壓力Pfte下的最大環(huán)向應(yīng)變ε $和最大軸向應(yīng)變ε ；
步驟四、根據(jù)步驟一中獲得的數(shù)據(jù)，按相關(guān)標準中的要求，依據(jù)氣瓶實際的設(shè)計工作壓力P工、疲勞試驗壓力Plft和設(shè)計爆破壓力P工;*，對外層復(fù)合材料進行二次有限元設(shè)計和仿真分析，確定鋪層的厚度與鋪放方式，此時認為復(fù)合材料層與初次成型氣瓶共同承受上述
壓力，取P附工=P工-P基、P附疲=P工疲-P基疲、P附爆=P工爆_P基爆，對所設(shè)計見合材料加壓，分別得到復(fù)合材料的最大環(huán)向應(yīng)變ε ’環(huán)和最大軸向應(yīng)變ε ’軸，并使ε ’環(huán)< ε環(huán)和ε ’軸< ε軸，則可得:最終完工后的氣瓶在上述實際的壓力狀態(tài)下，金屬內(nèi)襯的應(yīng)變和應(yīng)力狀態(tài)仍能滿足相關(guān)標準中的要求；
步驟五、按步驟三計算所得數(shù)據(jù)，進行氣瓶的第一步加工成型，其中氣瓶的自緊操作在第一步加工成型的過程中完成；再按照步驟四計算所得數(shù)據(jù)對氣瓶實施第二步的纏繞和固化加工，其中第二步中固化最高溫度比上述第一步加工成型中的固化最高溫度低5-15度，得到最終成型產(chǎn)品。
[0006]所述的一種氣瓶的兩步成型方法，其特征在于:步驟二中所述基本工作壓力為20MPa。因20MPa為企業(yè)大量生產(chǎn)的常用氣瓶的工作壓力，技術(shù)工藝成熟。
[0007]所述的一種氣瓶的兩步成型方法，其特征在于:適用于35MPa及以上工作壓力的復(fù)合材料全纏繞氣瓶。
[0008]運用兩步法進行35MPa及以上工作壓力氣瓶的加工成型，相比常用的一步纏繞固化成型方法，具有一定的優(yōu)越性。對于氣瓶來說，內(nèi)膽壁厚的較薄率在35%以上，減輕了氣瓶的總體重量，并節(jié)約了金屬材料(如鋁合金)的成本。另一方面，自緊壓力降低約37.5%，減少了纖維的斷裂率，提高了復(fù)合材料及整體結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。對于設(shè)備來說，較低的工作壓力更容易達到，有利于延緩關(guān)鍵部件的使用壽命。
【具體實施方式】
[0009]兩步法成型工藝是貫穿于整個氣瓶的設(shè)計、加工過程的。以常用的容量為120升的儲氫氣瓶為例，工作壓力為35MPa。內(nèi)膽采用6061-T6鋁合金旋壓并熱處理得到，其內(nèi)徑為335mm。外層復(fù)合材料由東I? T-700型號24K的碳纖維和環(huán)氧樹脂以印膠模式纏繞固化得到。
[0010]步驟一、對兩種材料實施力學(xué)拉伸試驗和計算，測得鋁合金的彈性模量為70GPa、泊松比為0.32、屈服強度和抗拉強度分別為300MPa和330MPa，得到各向異性碳纖維復(fù)合材料的軸向彈性模量為165GPa，環(huán)向為124GPa，徑向為90GPa，對應(yīng)的泊松比為0.01,0.06和
0.01，對應(yīng)的剪切模量為6GPa，6GPa和25GPa ；
步驟二、因20MPa為企業(yè)大量生產(chǎn)的常用氣瓶的工作壓力，技術(shù)工藝成熟，故將工作壓力35MPa分解為20MPa和15MPa兩部分；
步驟三、參考企業(yè)標準，以20MPa為氣瓶的工作壓力進行理論計算和有限元分析仿真，對應(yīng)的疲勞試驗壓力為26MPa，設(shè)計爆破壓力定為54MPa。確定內(nèi)膽壁厚5.2mm,自緊壓力45MPa，氣瓶的各項受力狀況滿足企業(yè)標準要求。求得在工作壓力、疲勞循環(huán)壓力和設(shè)計爆破壓力下的最大環(huán)向應(yīng)變和最大軸向應(yīng)變分別為0.27%和0.25%,0.35%和0.32%,2.1%和
2.0%。纖維以螺向和環(huán)向交替方式纏繞，確定鋪層厚度為5.4mm ；
步驟四、依據(jù)35MPa的設(shè)計工作壓力，對復(fù)合材料層進行二次設(shè)計，根據(jù)企業(yè)標準，對應(yīng)的疲勞試驗壓力為43.75MPa，設(shè)計爆破壓力定為84MPa，則外層復(fù)合材料在上述三種壓力狀態(tài)下應(yīng)承受的壓力分別為15MPa，17.75MPa和39MPa，仿真結(jié)果顯示最大環(huán)向應(yīng)變和最大軸向應(yīng)變分別為0.26%和0.25%,0.34%和0.31%,2.1%和2.0%，滿足要求。纖維同樣以螺向和環(huán)向交替方式纏繞，鋪層厚度為4.4mm ；
步驟五，按設(shè)計數(shù)據(jù)和工藝生產(chǎn)得到氣瓶的半成品后，對其實施自緊和水壓操作，壓力分別為45MPa和30MPa，其中的固化制度為:室溫一升溫60分鐘至95°C—保溫90分鐘一再次升溫30分鐘至140°C—保溫90分鐘一空冷至室溫，第一步成型結(jié)束。將氣瓶外部輕微打磨平整，根據(jù)步驟四所得數(shù)據(jù)實施第二步加工成型，對氣瓶實施纖維纏繞和固化，為了保證前期已固化樹脂的強度，固化溫度的最高值適當(dāng)調(diào)低，具體的固化制度為:室溫一升溫60分鐘至95°C—保溫90分鐘一再次升溫30分鐘至130°C—保溫90分鐘一空冷至室溫，加工結(jié)束。后期的相關(guān)試驗數(shù)據(jù)表明，氣瓶的受力狀況和形變與前期理論設(shè)計和有限元仿真得到的數(shù)據(jù)吻合較好。
[0011]為了進行效果比較，對35MPa氣瓶實施了一次固化成型的有限元建模仿真與分析計算，并同樣實施了產(chǎn)品的制作和相關(guān)試驗。有限元建模和仿真顯示:內(nèi)膽壁厚為8.0mm,復(fù)合材料層厚度9.6mm。自緊和水壓操作的壓力分別為72MPa和52.5MPa，其工藝流程和固化制度與兩步成型法中的第一步工藝類似，在此不再贅述。同樣，試驗結(jié)果與前期的有限元分析和理論計算吻合較好。
[0012]上述兩種成型方法中的數(shù)據(jù)對比可見，兩步成型法是具有一定經(jīng)濟價值和實施意義的。特別地，金屬內(nèi)襯的厚度和自緊壓力得到了很好的優(yōu)化。
[0013]對于工作壓力為70MPa的鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶來說，本發(fā)明仍然適用于其設(shè)計制造過程，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化、成本控制等方面也將取得良好的效果。
【權(quán)利要求】
1.一種復(fù)合材料氣瓶設(shè)計與制造的兩步成型方法，其特征在于該方法包括以下步驟: 步驟一、對氣瓶所用的金屬和纖維分別做力學(xué)拉伸試驗，得到材料的彈性模量、剪切模量、泊松比，以及屈服強度和抗拉強度數(shù)據(jù)； 步驟二、將氣瓶的設(shè)計工作壓力P工分解為基本工作壓力Pa^P附加工作壓力P?，基本工作壓力取較低的、常用氣瓶的工作壓力； 步驟三、根據(jù)步驟一中獲得的數(shù)據(jù)，按相關(guān)標準中的要求，以Ps為氣瓶工作壓力進行有限元設(shè)計和仿真分析，確定氣瓶的形狀參數(shù)和工藝數(shù)據(jù)，并使氣瓶的各種受力狀態(tài)和應(yīng)變符合標準要求，并分別記錄氣瓶在工作壓力P*、疲勞試驗壓力Ρ?β和設(shè)計爆破壓力Pfte下的最大環(huán)向應(yīng)變ε $和最大軸向應(yīng)變ε ； 步驟四、根據(jù)步驟一中獲得的數(shù)據(jù)，按相關(guān)標準中的要求，依據(jù)氣瓶實際的設(shè)計工作壓力P工、疲勞試驗壓力Plft和設(shè)計爆破壓力P工;*，對外層復(fù)合材料進行二次有限元設(shè)計和仿真分析，確定鋪層的厚度與鋪放方式，此時認為復(fù)合材料層與初次成型氣瓶共同承受上述壓力，取P附工=P工-P基、P附疲=P工疲_P基疲、P附爆=P工爆_P基爆，對所設(shè)計見合材料加壓，分別得到復(fù)合材料的最大環(huán)向應(yīng)變ε ’環(huán)和最大軸向應(yīng)變ε ’軸，并使ε ’環(huán)< ε環(huán)和ε ’軸< ε軸，則可得:最終完工后的氣瓶在上述實際的壓力狀態(tài)下，金屬內(nèi)襯的應(yīng)變和應(yīng)力狀態(tài)仍能滿足相關(guān)標準中的要求； 步驟五、按步驟三計算所得數(shù)據(jù)，進行氣瓶的第一步加工成型，其中氣瓶的自緊操作在第一步加工成型的過程中完成； 再按照步驟四計算所得數(shù)據(jù)對氣瓶實施第二步的纏繞和固化加工，其中第二步中固化最高溫度比上述第一步加工成型中的固化最高溫度低5-15度，得到最終成型產(chǎn)品。
2.按照權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料氣瓶設(shè)計與制造的兩步成型方法，其特征在于:步驟二中所述基本工作壓力為20MPa。`
3.按照權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料氣瓶設(shè)計與制造的兩步成型方法的應(yīng)用，其特征在于:應(yīng)用于35MPa及以上工作壓力的復(fù)合材料全纏繞氣瓶。
【文檔編號】B29C53/56GK103574280SQ201310501531
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2013年10月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月23日
【發(fā)明者】盧敏, 周來水, 詹從坤 申請人:南京航空航天大學(xué)