[发明专利]复合材料气瓶设计与制造的两步成型方法及应用

说明书

技术领域 

本发明涉及一种纤维全缠绕金属内胆的高压气瓶成型及应用，特别是35MPa及以上高压气瓶的成型，属于压力容器设计与制造领域。

背景技术   

    在国内,复合材料高压气瓶的设计制造领域，相关的专利技术和文献一般适用于30MPa及以下的气瓶的设计与制造工艺，如浙江大学郑传祥、曹堃等发明的03150968.1“复合材料压力容器”，哈尔滨工业大学赫晓东、王荣国等发明的200510010151.6“大尺寸、超薄金属内衬的复合材料压力容器及其制造方法”等。根据经典热力学中的克拉伯龙方程，对于一定容积的高压气瓶，充装气体的质量与压强呈正比例关系。也就是说，气瓶的设计充装压力越高，则所能容纳的气体就越多，这对于终端用户和生产厂家来说，其意义无疑是显然的。

对于国内的常用气瓶，若充装介质为压缩天然气，其工作压力一般不超过30MPa，采用一次缠绕固化成型即可。但若充装介质为压缩氢气，其工作压力一般在35MPa、70MPa及以上，如果仍采用一次固化成型技术，其材料用量将相应增大，如内胆的壁厚增加和铺层增厚等，生产过程中的自紧压力也相应很高，相关设备的承载和能耗也相应增加。另外，对于较厚的复合材料铺层，若采用一次缠绕固化工艺，较高的自紧压力必将使裂纹加剧产生，进而导致复合材料层的总体力学性能降低。 

发明内容   

针对35MPa及以上工作压力的高压气瓶成型，本发明的目的主要在于减少用作内衬的铝合金材料用量，优化其结构重量；降低此类气瓶的自紧压力，降低纤维与树脂在自紧过程中的断裂率，进而保证气瓶的总体力学性能。另外，减小相关设备的承载负荷，延长其使用寿命。

为解决上述问题，本发明采用的方案是： 

一种复合材料气瓶设计与制造的两步成型方法，其特征在于该方法包括以下步骤： 

步骤一、对气瓶所用的金属和纤维分别做力学拉伸试验，得到材料的弹性模量、剪切模量、泊松比，以及屈服强度和抗拉强度数据； 

步骤二、将气瓶的设计工作压力P_工分解为基本工作压力P_基和附加工作压力P_附，基本工作压力取较低的、常用气瓶的工作压力； 

步骤三、根据步骤一中获得的数据，按相关标准中的要求，以P_基为气瓶工作压力进行有限元设计和仿真分析，确定气瓶的形状参数和工艺数据，并使气瓶的各种受力状态和应变符合标准要求，并分别记录气瓶在工作压力P_基、疲劳试验压力P_基疲和设计爆破压力P_基爆下的最大环向应变ε_环和最大轴向应变ε_轴； 

步骤四、根据步骤一中获得的数据，按相关标准中的要求，依据气瓶实际的设计工作压力P_工、疲劳试验压力P_工疲和设计爆破压力P_工爆，对外层复合材料进行二次有限元设计和仿真分析，确定铺层的厚度与铺放方式，此时认为复合材料层与初次成型气瓶共同承受上述压力，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，对所设计复合材料加压，分别得到复合材料的最大环向应变ε'_环和最大轴向应变ε'_轴，并使ε'_环≤ε_环和ε'_轴≤ε_轴，则可得：最终完工后的气瓶在上述实际的压力状态下，金属内衬的应变和应力状态仍能满足相关标准中的要求； 

步骤五、按步骤三计算所得数据，进行气瓶的第一步加工成型，其中气瓶的自紧操作在第一步加工成型的过程中完成；再按照步骤四计算所得数据对气瓶实施第二步的缠绕和固化加工，其中第二步中固化最高温度比上述第一步加工成型中的固化最高温度低5-15度，得到最终成型产品。 

所述的一种气瓶的两步成型方法，其特征在于：步骤二中所述基本工作压力为20MPa。因20MPa为企业大量生产的常用气瓶的工作压力，技术工艺成熟。 

所述的一种气瓶的两步成型方法，其特征在于：适用于35MPa及以上工作压力的复合材料全缠绕气瓶。