纖維纏繞複合材料壓力容器梯度張力施加方法
2023-06-04 09:11:11 1
專利名稱：纖維纏繞複合材料壓力容器梯度張力施加方法
技術領域：
本發明涉及纖維纏繞複合材料壓力容器中纖維的纏繞張力梯度的設計與實施技術。
背景技術：
纖維纏繞複合材料壓力容器是由浸漬樹脂後的纖維在內襯上進行一層層的連續纏繞製得的。目前，國內外關於壓力容器纖維纏繞張力尚沒有較為完善的施加方法，通常是採用恆張力或簡單遞減張力的方法，由裡向外進行縱、環向交替纏繞。複合材料壓力容器製造過程中，在纏繞張力作用下，後纏上去的纖維層都對先纏上去的纖維層產生徑向壓力，迫使徑向產生壓縮變形，從而使內層纖維變松。採用恆定的纏繞張力，使製品纖維層產生內松外緊現象，從而使內外層纖維初應力產生很大的差異；簡單遞減張力的方法也只是考慮纏繞過程中纖維應力變化，不能精確實現複合材料層應力沿壁厚均勻分布的要求，大大降低容器的強度和疲勞性能。在纏繞過程中，纏繞張力是一個關鍵工藝參數，它與製品的性能密切相關。現有的施加方法較難發揮纏繞層的整體力學性能，影響了壓力容器的性能。
發明創造內容本發明的目的是從纖維纏繞張力入手，提供一種纖維纏繞複合材料壓力容器梯度張力施加方法，以提高壓力容器的強度和抗疲勞性能。
本發明提供一種纖維纏繞複合材料壓力容器梯度張力施加方法，主要是纏繞層由內向外以纏繞張力梯度遞減的方式進行纏繞。
上述纖維纏繞複合材料壓力容器梯度張力施加方法中，每一纏繞層的纏繞張力用式一計算T(tr)=K1tr+tMf]]>式一式中Ttr——纖維張力；tr——纖維層厚度(mm)，tr=i=1r(tisin),]]>α表示i層的纏繞角度；tMf——金屬內襯厚度折算為纖維當量厚度，即tMf=EMEftM;]]>EM和Ef分別為金屬和纖維彈性模量；
K——常數；K＝T0·(tMf+tf)T0——最外層張力(N/cm)；tf——纖維層厚度(cm)，tf=i=1n(tisin),]]>α表示i層的纏繞角度。
上述纖維纏繞複合材料壓力容器梯度張力施加方法具體步驟包括1)確定壓力容器金屬內襯的厚度、彈性模量，纏繞層纖維材料的彈性模量、纖維初應力，單層纖維厚度和纏繞層數；2)用公式一計算每層纏繞張力；3)用微機控制張力系統檢測和控制纖維纏繞過程，其中，將2)計算的纏繞張力作為該系統的設定值；4)利用該微機控制張力系統對纏繞過程的纏繞張力進行實時檢測並通過該系統中的張力施加機構調整纏繞張力的施加，完成纏繞全過程。
本發明通過精確計算，綜合考慮壓力容器成型過程中的多種因素，來設計纖維纏繞的梯度張力，並通過張力控制系統來控制纏繞過程中的纏繞張力，從而，使從內到外的全部纖維層具有相同的初應力，克服了現有方法中纖維層鬆緊不一的缺陷，從而提高了容器的強度和抗疲勞性。
圖1為內襯受力圖，表明通過控制纖維層的應力梯度後，金屬內襯的工作應力水平顯著降低。
圖2為實施例一設計梯度張力圖，表明施加的纏繞張力呈梯度變化。
圖3為纖維纏繞壓力容器剖面示意圖。
圖4為式一呈遞減變化曲線。
具體實施例方式
通過研究發現，目前普遍使用的纏繞張力施加方法，使製品纖維層產生鬆緊不一狀態，其原因在於內外層纖維初應力存在很大的差異。本發明主要解決的技術問題是消除各纖維層之間初應力的差異，使從內到外的全部纖維層具有相同的初應力，從而使容器性能得到提高。對此，本發明提出纖維纏繞層的梯度張力設計及施加方案。
進一步研究發現，纖維纏繞金屬內襯壓力容器的爆破強度、體積變形率、疲勞壽命、含膠量等都與選擇的初始張力和張力梯度有關。本發明的主要問題是梯度張力設計和施加。1、梯度張力設計計算梯度張力的設計主要包括纖維初應力值的確定和張力梯度值的設計計算。(1)確定纖維初應力值確定複合材料壓力容器的纖維纏繞張力，需綜合考慮諸多因素的影響。本發明從分析內襯剛度、纖維強度與磨損、纏繞工藝等方面出發，並給出了計算公式。
纖維纏繞複合材料壓力容器在工作壓力下，如果金屬內襯的應力過高、變形太大，容易引起早期開裂，發生滲漏。因此，可以通過控制纖維的纏繞張力，控制內襯的應力於某一範圍之內，使容器在內壓從零到檢驗壓力反覆加卸過程中，內襯材料始終能處於彈性階段工作。為了實現這一目標，往往要求容器在零內壓時，內襯處於壓縮狀態。
在纏繞過程中，纖維和內襯間只有力的相互作用，還不是一個複合體，各自服從其虎克定律。內襯在纏繞張力作用下產生壓縮變形，纖維產生拉伸變形。如圖1所示，圖1中C點和A點分別表示容器纏繞完後，內壓p＝0時內襯和纖維所處的應力—應變狀態。也就是內襯和纖維的工作起點。
在加壓過程中，內襯逐漸從壓縮狀態變為拉伸狀態。直到內壓達到檢驗壓力時，內襯材料的應力仍處在彈性極限以下。纖維中的預應力可以提高纖維的工作應力，充分發揮纖維高強特性，增加複合殼體在內襯處於彈性階段承擔內壓能力，提高疲勞性能。
圖1中表示了纖維和金屬材料的拉伸應力—應變。如果不對纖維施加預緊應力，則纏繞完成後，纖維和金屬內襯中的應力狀態均處於0點。通過梯度張力的施加，內襯處於一定的壓縮狀態(圖中的C點)，而纖維處於拉伸狀態(圖中的A點)，並且σ0tf＝σM0tM0，即σ0＝σM0tM0/tf。
壓力容器正常工作時，在內壓作用下內襯中的應力狀態從σM0(C點)變到σM1(D點)，纖維應力狀態從初應力σ0(A點)變到σ1(B點)。
可見通過預應力的施加大大提高了纖維的利用率，降低了內襯應力水平。
當然，纏繞張力不應使內襯失穩。金屬內襯臨界外壓計算公式cr=EM4(1-2)(tMR)2]]>式中，σcr——內襯失穩應力；EM——內襯材料的彈性模量；μ——內襯材料的泊松比；tM——內襯厚度；R——內襯半徑；
(2)梯度張力設計梯度張力設計就是要使纖維纏繞壓力容器中從內到外的各層纖維張力呈一定的梯度變化，最終目的是使各層纖維有相同的預應力，從而在容器正常工作時發揮複合材料的整體效果。
參見圖3，為纖維纏繞壓力容器剖面示意圖，圖3中，厚度為tr處的纖維梯度張力可按式一進行計算T(tr)=K1tr+tMf]]>式一式中Ttr——纖維張力；tr——纖維層厚度(mm)，tr=i=1r(tisin),]]>α表示各層的纏繞角度。
tMf——金屬內襯厚度折算為纖維當量厚度，即tMf=EMEftM;]]>(EM和Ef分別為金屬和纖維彈性模量)K——常數；K＝T0·(tMf+tf)T0——最外層張力(N/mm)，T0＝σ0Δt，Δt為單層纖維厚度；tf——纖維層厚度(mm)，tf=i=1n(tisin),]]>α表示i層的纏繞角度。
式一呈遞減的函數變化，如圖4所示。
式一推導過程梯度張力設計就是要使纖維纏繞壓力容器中從內到外的各層纖維張力呈一定的梯度變化，最終目的是使各層纖維有相同的預應力，從而在容器正常工作時發揮複合材料的整體效果。
將複合材料層劃分為n層，各層厚度為Δt＝tf/n，第一層至最外層各層纏繞張力依次為T1，T2，……Tn，N/mm。全部纖維層與內襯一起發生壓縮變形，其環向壓縮力與該層纏繞張力大小相等，方向相反。如第二層的纏繞張力將迫使第一層與內襯一起發生壓縮變形，其壓縮力等於第二層纏繞張力值。任意第i層的纏繞張力將迫使它以裡的全部纏繞層與內襯一起產生壓縮變形，其壓縮力等於第i層的纏繞張力值。
可見，各層纖維的實際應力為各層纏繞張力對自身產生的拉應力與全部外層纏繞張力對其產生的壓應力之和，故
1=T1t-T2t+tMf--Tn(n-1)t+tmf]]>2=T2t-T32t+tMf--Tn(n-1)t+tMf]]>依次可得n=Tnt.]]>控制纏繞張力的目的就是要使各層纖維的初應力相等，即σ1＝σ2＝……＝σn＝σ0由σ1＝σ2，可得T2=t+tMf2t+tMfT1]]>由σ1＝σ3，可得T3=t+tMf3t+tMfT1]]>以此類推可得Tj=t+tMfit+tMfT1,]]>Tn=t+tMfnt+tMfT1]]>可得Tj=nt+tMfit+tMfTn=tf+tMftr+tMfTn]]>設Tn＝T0，因為所有各層纖維初應力都相等，故最外層纏繞張力為T0＝σ0tθ。令，K＝T0(tf+tMf)，則T(tr)=K1tr+tMf]]>2、張力施加本發明基於上述推理和計算方法，在具體實施時，需要依據計算結果來控制纏繞張力的施加。纏繞張力的施加的控制是通過閉環的張力控制系統來進行的。張力控制系統由計算機中心控制系統、張力檢測系統和張力施加機構三部分組成，在傳繞過程中，由中心控制系統進行張力設定，並通過張力檢測系統的反饋信息進行分析，來調節張力施加機構的緊張程度。本發明中可以使用北京玻璃鋼研究院研製開發的MCTS-2000型閉環微機控制張力系統，對纖維纏繞過程中的張力進行實時檢測和控制，通過監控器監控紗束上的實際張力，實時調整纏繞張力，使其保持均衡。每層纏繞張力與實際設定值誤差不超過2％。
實施例一用本發明纏繞方法製作具有鋁合金內襯的5升和8升複合材料氣瓶。整體結構為鋁合金內襯厚度為2mm，直徑為100mm，複合材料環向纏繞層共10層，縱向纏繞層共8層(4個循環)，纏繞角度為20°。環向和縱向每兩層進行交替纏繞。單層厚度為0.263mm。
用式一進行計算，設計內襯應力cr=E4(1-2)(tMR)2=720004(1-0.32)(250)2=31.6MPa,]]>取31MPa。
設計纖維初應力σ0＝σMtM/tf＝31×2÷3.35＝18.5MPa。因此，纖維初張力為T0＝18.5×0.263＝4.97(N/mm)tMf＝70/200×2＝0.7mm，tf＝0.263×10+0.263×8×sin20°＝3.35mm。
K＝T0·(tMf+tf)＝4.97×(0.7+3.35)＝20.1T(tr)=K1tr+tMf=20.11tr+0.7(N/mm)]]>張力實施時取每兩層作為一個遞減單位，則環向張力計算值為
該環向纏繞張力梯度如圖2所示。使用MCTS-2000型閉環微機控制張力系統對纏繞張力進行實時監控和調整，將計算值作為微機控制的設定值，每層纏繞張力的實際施加值與設定值誤差不超過1％，依此完成梯度張力纖維纏繞過程。
實施例二用本發明纏繞方法製作具有鋼合金內襯的2升和4升複合材料氣瓶。整體結構為鋼合金內襯2mm，直徑為100mm，複合材料環向纏繞層共6層，縱向纏繞層共4層(2個循環)，纏繞角度為20°。環向和縱向每兩層進行交替纏繞。單層厚度為0.263mm。
用上述公式進行計算設計內襯應力cr=E4(1-2)(tMR)2=2100004(1-0.32)(250)2=92.2MPa,]]>取92Mpa。
設計纖維初應力σ0＝σMtM/tf＝92×2÷1.94＝95MPa。因此，纖維初張力為T0＝95×0.263＝25(N/mm)tMf＝210/200×2＝2.1mm，tf＝0.263×6+0.263×4×sin20＝1.94mm。K＝T0·(tMf+tf)＝25×(2.1+1.94)＝101MPaT(tr)=K1tr+tMf=1011tr+2.1]]>張力實施時取每兩層作為一個遞減單位，則計算值為
使用MCTS-2000閉環微機控制張力系統對纏繞張力進行實時監控和調整，將計算值作為微機控制的設定值，每層纏繞張力的施加值與設定值誤差不超過1％，完成設定的梯度張力纖維纏繞過程。
對上述實施例複合材料氣瓶進行測試，1、爆破壓力測試依據《航空用玻璃纖維增強塑料壓力容器》(GJB392-87)進行水壓爆破試驗。
測試結果與傳統纏繞方法製作的容器，爆破壓力值提高了10～20％；2、疲勞壽命測試依據《航空用玻璃纖維增強塑料壓力容器》(GJB392-87)進行水壓爆破試驗。
疲勞壽命測試結果也由原來的7000～8000次提高到了10000次以上。
上述實驗表明，通過纖維梯度張力設計與實施技術在複合材料壓力容器製作中的應用，不僅改善了金屬內襯的工作受力狀態而且提高了複合材料的整體性能，使容器的爆破強度、疲勞壽命都大大提高。
權利要求
1.一種纖維纏繞複合材料壓力容器梯度張力施加方法，其特徵在於，纏繞層由內向外以纏繞張力梯度遞減的方式進行纏繞。
2.根據權利要求1所述的纖維纏繞複合材料壓力容器梯度張力施加方法，其特徵在於，所述每一纏繞層的纏繞張力用式一計算T(tr)=K1tr+tMf]]>式一式中Ttr——纖維張力；tr——纖維層厚度(mm)，tr=i=1r(trsin),]]>α表示各層的纏繞角度；tMf——金屬內襯厚度折算為纖維當量厚度，即tMf=EMEftM;]]>EM和Ef分別為金屬和纖維彈性模量；K——常數；K＝T0·(tMf+tf)T0——最外層張力(N/cm)；tf——纖維層厚度(cm)，tf=i=1n(tisin),]]>α為i層纏繞角度。
3.根據權利要求1或2所述的纖維纏繞複合材料壓力容器梯度張力施加方法，其特徵在於，具體步驟包括1)確定壓力容器金屬內襯的厚度、彈性模量，纏繞層纖維材料的彈性模量、纖維初應力，單層纖維厚度和纏繞層數；2)用公式一計算每層纏繞張力；3)用微機控制張力系統檢測和控制纖維纏繞過程，其中，將2)計算的纏繞張力作為該系統的設定值；4)利用該微機控制張力系統對纏繞過程的纏繞張力進行實時檢測並通過該系統中的張力施加機構調整纏繞張力的施加，完成纏繞全過程。
全文摘要
本發明公開了一種纖維纏繞複合材料壓力容器梯度張力施加方法，其纏繞層由內向外以纏繞張力梯度遞減的方式進行纏繞，其中，每一纏繞層的纏繞張力，在綜合考慮壓力容器成型過程中的多種因素，通過式一進行精確計算得到纖維纏繞的梯度張力，並通過張力控制系統來控制纏繞過程中的纏繞張力，使壓力容器從內到外的全部纖維層具有相同的初應力，克服了現有方法中纖維層鬆緊不一的缺陷，從而提高了容器的強度和抗疲勞性。
文檔編號B29C63/00GK1528586SQ03134798
公開日2004年9月15日 申請日期2003年9月30日 優先權日2003年9月30日
發明者李新華, 薛忠民, 王浩, 肖文剛, 黃再滿 申請人:中材科技股份有限公司