含超薄金屬內(nèi)襯輕量化復(fù)合材料壓力容器的設(shè)計(jì)與制備

摘要：本文將提出一種含超薄金屬內(nèi)襯輕量化復(fù)合材料壓力容器的設(shè)計(jì)與制備技術(shù)，并對(duì)于該技術(shù)的具體設(shè)計(jì)與制備應(yīng)用進(jìn)行分析論述。

關(guān)鍵詞：超??；金屬內(nèi)襯；輕量化；復(fù)合材料；壓力容器；設(shè)計(jì)制備；研究

近年來(lái)，隨著新技術(shù)以及新設(shè)備的不斷發(fā)展與應(yīng)用，工業(yè)生產(chǎn)與加工制造中對(duì)于攜帶液體燃料以及高壓氣體的壓力容器提出了高氣密、輕質(zhì)量以及長(zhǎng)壽命等更高的設(shè)計(jì)與制造要求，使得高結(jié)構(gòu)效率的輕量化復(fù)合材料壓力容器成為一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題。下文將結(jié)合這一背景條件，根據(jù)帶金屬內(nèi)襯復(fù)合材料壓力容器中內(nèi)襯的作用以及復(fù)合材料結(jié)構(gòu)層進(jìn)行承擔(dān)荷載的特征，提出一種含超薄金屬內(nèi)襯輕量化復(fù)合材料壓力容器的設(shè)計(jì)與制備技術(shù)，具體報(bào)道如下。

1.復(fù)合材料結(jié)構(gòu)層的剛度優(yōu)化設(shè)計(jì)方法分析

進(jìn)行含超薄金屬內(nèi)襯輕量化復(fù)合材料壓力容器的設(shè)計(jì)與制備實(shí)現(xiàn)，主要就是以減薄金屬內(nèi)襯的厚度和實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)層的剛度優(yōu)化為主，以實(shí)現(xiàn)超薄、輕量化、高強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)層剛度的設(shè)計(jì)與制備目的。首先，在進(jìn)行復(fù)合材料結(jié)構(gòu)層的剛度優(yōu)化設(shè)計(jì)中，本文主要采用一種基于穩(wěn)定纏繞理論的結(jié)構(gòu)剛度優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，對(duì)于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)層的剛度實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)。工業(yè)生產(chǎn)與加工制造中，對(duì)于復(fù)合材料壓力容器的結(jié)構(gòu)層剛度優(yōu)化設(shè)計(jì)，多是使用網(wǎng)格理論進(jìn)行復(fù)合材料壓力容器強(qiáng)度設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的，它主要應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行滑線系數(shù)取值確定后，通常對(duì)于一般濕法纏繞取值多為0.15到0.2之間，而干法纏繞取值多為0.39，然后應(yīng)用公式對(duì)于可纏繞范圍進(jìn)行求解，并給定初始纏繞角，通過(guò)在纏繞機(jī)上進(jìn)行大量的工藝試驗(yàn)后，對(duì)于初始纏繞角進(jìn)行排線修改，以找出能夠滿足纏繞工藝穩(wěn)定性要求的線型和纏繞角，最終根據(jù)這個(gè)纏繞角進(jìn)行設(shè)計(jì)制備壓力容器的剛度校核，以完成對(duì)于復(fù)合材料壓力容器的結(jié)構(gòu)剛度優(yōu)化設(shè)計(jì)。

（1）

上述公式（1）中，a表示的是纏繞角，λ表示的是滑線系數(shù)，r表示的是芯模母線方程， 、 表示的是芯模母線方程的一階和二階導(dǎo)數(shù)，其中 。

上文所述的這種基于試錯(cuò)試驗(yàn)的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)層剛度優(yōu)化設(shè)計(jì)方式，在優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，難以對(duì)實(shí)際的穩(wěn)定纏繞范圍進(jìn)行獲取，因此也就無(wú)法進(jìn)行復(fù)合材料壓力容器結(jié)構(gòu)的剛度優(yōu)化實(shí)現(xiàn)，在實(shí)際設(shè)計(jì)制造中就不能夠最大化的實(shí)現(xiàn)纖維強(qiáng)度發(fā)揮，難以實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料壓力容器減重與輕量化的目的。

根據(jù)這種設(shè)計(jì)方法的缺陷與局限性，本文通過(guò)進(jìn)行一種基于穩(wěn)定纏繞理論的結(jié)構(gòu)剛度優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的設(shè)計(jì)構(gòu)建，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)于復(fù)合材料壓力容器的結(jié)構(gòu)剛度優(yōu)化設(shè)計(jì)?；诜€(wěn)定纏繞理論的結(jié)構(gòu)剛度優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要通過(guò)對(duì)纏繞纖維和芯模表面間滑線系數(shù)的精確表征，對(duì)于真實(shí)可靠的滑線系數(shù)進(jìn)行測(cè)量求得，同時(shí)在獲取滑線系數(shù)和纏繞角的連續(xù)對(duì)應(yīng)關(guān)系后，通過(guò)上述公式（1）對(duì)于可穩(wěn)定纏繞范圍進(jìn)行準(zhǔn)確求得，同時(shí)通過(guò)對(duì)于可穩(wěn)定纏繞范圍內(nèi)每一纏繞角對(duì)應(yīng)的纖維軌跡厚度、剛度等進(jìn)行預(yù)測(cè)計(jì)算，以實(shí)現(xiàn)在穩(wěn)定纏繞范圍內(nèi)，對(duì)于復(fù)合材料壓力容器結(jié)構(gòu)剛度的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得復(fù)合材料結(jié)構(gòu)能夠最大效率的發(fā)揮纖維強(qiáng)度，提高結(jié)構(gòu)效率，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料壓力容器設(shè)計(jì)制備中減重與輕量化的目的。

在基于穩(wěn)定纏繞理論的結(jié)構(gòu)剛度優(yōu)化設(shè)計(jì)方法中，對(duì)于纏繞纖維以及芯模表面間滑線系數(shù)的精確表征以及可穩(wěn)定纏繞范圍的求解實(shí)現(xiàn)，主要是根據(jù)一般曲面穩(wěn)定纏繞原理，通過(guò)對(duì)芯模表面上落紗點(diǎn)的力學(xué)分析，在進(jìn)行一種具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)標(biāo)定模型設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)于纏繞纖維以及芯模表面間滑線系數(shù)的精確表征和可穩(wěn)定纏繞范圍求解。值得注意的是，設(shè)計(jì)建立的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的標(biāo)定模型，在固定纏繞角情況下，沿其母線方向任意點(diǎn)的緯度圓半徑和該點(diǎn)的滑線系數(shù)之間滿足線性關(guān)系。其中，該模型的母線方程為下式（2）所示。

（2）

在上示公式中，R表示芯模直線段處的半徑，C是一個(gè)常數(shù)。通過(guò)該標(biāo)定模型能夠精確對(duì)于纏繞纖維和芯模表面間滑線系數(shù)值進(jìn)行表征，能夠?yàn)榉€(wěn)定纏繞范圍以及復(fù)合材料壓力容器結(jié)構(gòu)剛度優(yōu)化進(jìn)行參數(shù)提供。

2.大尺寸超薄金屬內(nèi)襯的成型設(shè)計(jì)方法分析

本文主要以鋁合金材料為主，對(duì)于大尺寸超薄鋁合金內(nèi)襯的設(shè)計(jì)成型方法進(jìn)行分析。在壓力容器設(shè)計(jì)制造中，由于鋁合金材料本身具有氣密性高以及密度小、介質(zhì)相容性突出等特征優(yōu)勢(shì)，是輕量化復(fù)合材料壓力容器設(shè)計(jì)制備中金屬內(nèi)襯的首先材料，并且該材料在壓力容器的整個(gè)設(shè)計(jì)制備中占有比例達(dá)到1/3以上。此外，應(yīng)用鋁合金作為金屬內(nèi)襯材料進(jìn)行輕量化復(fù)合材料壓力容器設(shè)計(jì)制備中，如果鋁合金的內(nèi)襯厚度每減薄0.1毫米，復(fù)合材料壓力容器的重量將減輕3%到6%，能夠滿足材料壓力容器設(shè)計(jì)制備中實(shí)現(xiàn)減重的目的。

由于輕量化復(fù)合材料壓力容器直徑的越來(lái)越大，實(shí)現(xiàn)大尺寸超薄鋁合金內(nèi)襯的成型設(shè)計(jì)具有較為突出的難度。針對(duì)這一情況，通過(guò)在封頭部分使用旋壓工藝，然后與筒身進(jìn)行焊接成型的設(shè)計(jì)制備方法，實(shí)現(xiàn)大尺寸超薄鋁合金內(nèi)襯的成型設(shè)計(jì)，制備出了封頭和筒身厚度在0.8毫米以下，直徑在745毫米以上的系列超薄鋁合金內(nèi)襯，很好的滿足和實(shí)現(xiàn)了輕量化復(fù)合材料壓力容器設(shè)計(jì)與制備。

在進(jìn)行含超薄金屬內(nèi)襯輕量化復(fù)合材料壓力容器設(shè)計(jì)制備中，完成減薄金屬內(nèi)襯厚度與復(fù)合材料結(jié)構(gòu)層的剛度優(yōu)化設(shè)計(jì)后，要想完整的實(shí)現(xiàn)對(duì)于含超薄金屬內(nèi)襯輕量化復(fù)合材料壓力容器的設(shè)計(jì)制備，還需要進(jìn)行超波金屬內(nèi)襯和復(fù)合材料變形的協(xié)調(diào)控制，同時(shí)對(duì)于輕量化復(fù)合材料壓力容器的設(shè)計(jì)制備進(jìn)行自動(dòng)修復(fù)，以保證設(shè)計(jì)制備質(zhì)量和效果。

3.結(jié)束語(yǔ)

總之，含超薄金屬內(nèi)襯輕量化復(fù)合材料壓力容器的設(shè)計(jì)制備實(shí)現(xiàn)，能夠滿足壓力容器設(shè)計(jì)制備的高氣密以及輕質(zhì)量、長(zhǎng)壽命的要求，對(duì)于推動(dòng)壓力容器設(shè)計(jì)制備技術(shù)水平的發(fā)展提升有著積極作用和意義。

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作者簡(jiǎn)介：張娟（1989-），女，漢族，陜西神木人，內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院碩士研究生，從事壓力容器復(fù)合材料研究。