一種航空用碳纖維環(huán)向纏繞筒的成型優(yōu)化設(shè)計及工藝

李國寶

摘要：本項目采用“柱形不銹鋼金屬薄壁筒體+高強碳纖維環(huán)纏”結(jié)構(gòu)方案，開發(fā)了不銹鋼碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計、參數(shù)優(yōu)化及制備、內(nèi)表面研磨等關(guān)鍵技術(shù)，項目產(chǎn)品具有強度高、耐高溫、抗沖擊、耐疲勞、耐腐蝕、耐介質(zhì)吸附等優(yōu)異的性能。

關(guān)鍵詞：碳纖維環(huán)向纏繞;碳纖維;不銹鋼薄壁內(nèi)襯;無輥浸膠;內(nèi)表面研磨

航空用碳纖維環(huán)向纏繞筒屬壓力容器范疇，主要應(yīng)用于航空環(huán)境，在系統(tǒng)中對氣源裝置部件過濾器進(jìn)行氣源過濾。在航空環(huán)境中對產(chǎn)品的應(yīng)用要求十分特殊及苛刻，如產(chǎn)品輕量化需求、使用環(huán)境的高低溫交變影響、耐高頻振動及沖擊載荷考核、耐濕熱環(huán)境、耐鹽霧環(huán)境、耐霉菌環(huán)境、耐砂塵環(huán)境等要求。

1、總體方案設(shè)計

1.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及功能

碳纖維環(huán)向纏繞筒由柱形不銹鋼金屬薄壁筒體，外部纏繞碳纖維組成，筒體內(nèi)表面通過研磨技術(shù)拋光處理，實現(xiàn)內(nèi)表面粗糙度Ra0.01。碳纖維環(huán)向纏繞筒可實現(xiàn)存儲28MPa高壓氣體，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖1所示。

1.2 產(chǎn)品主要技術(shù)要求

碳纖維環(huán)向纏繞筒主要技術(shù)參數(shù)見表1。

1.3 產(chǎn)品強度分析

1.3.1 不銹鋼薄壁內(nèi)膽設(shè)計

內(nèi)膽材料選用05Cr17Ni4Cu4Nb，其力學(xué)性能見表2。

1.3.2 金屬筒體設(shè)計壁厚

壁厚設(shè)計公式參照GB/T 5099.4-2017《鋼質(zhì)無縫氣瓶 第4部分：不銹鋼無縫氣瓶》進(jìn)行設(shè)計：

經(jīng)計算得出，金屬筒體達(dá)到爆破壓力≥72.8MPa時，金屬筒體最小壁厚不應(yīng)小于1.63mm。故，金屬筒體最小設(shè)計厚度≥1.7mm。

為了保證金屬筒體達(dá)到輕量化要求，金屬筒體設(shè)計重量不大于400g，對金屬筒體筒身部位進(jìn)行減壁處理，按金屬筒體筒身部位承壓30MPa計算：

計算得出筒身部位最小壁厚不應(yīng)小于0.71mm，考慮到加工時的壁厚尺寸控制及爆破余量，筒身部位設(shè)計壁厚取值為0.8mm。

金屬筒體筒身部位的設(shè)計壁厚取0.8mm，根據(jù)強度理論計算筒身部位可以滿足的最小爆破強度Pb1：

經(jīng)計算可知，金屬筒體筒身部位取S=0.8mm時，金屬筒體承壓約34MPa且金屬筒體重量滿足不大于400g。同時，筒身S=0.8mm部位通過碳纖維環(huán)向纏繞進(jìn)行補強，實現(xiàn)復(fù)合材料筒爆破壓力≥72.8MPa。

1.3工藝流程設(shè)計

不銹鋼內(nèi)膽加工工藝：棒料自由鍛→粗車內(nèi)外型→探傷→真空熱處理→精車螺紋及內(nèi)腔→金屬筒體成檢。

環(huán)向纏繞工藝：鋼內(nèi)膽外表面防腐→環(huán)向纏繞碳纖維→固化→修磨→自緊/水壓→吹干→精車螺紋及內(nèi)腔→內(nèi)壁研磨→鈍化→成品檢驗→疲勞試驗→爆破試驗。

2、產(chǎn)品關(guān)

參考文獻(xiàn)：鍵技術(shù)

2.1不銹鋼超薄壁無縫金屬筒體成型技術(shù)

碳纖維環(huán)向纏繞筒組成中不銹鋼金屬筒體為薄壁筒體，為了保證輕量化要求，筒身設(shè)計壁厚為0.8mm。在機械加工時，設(shè)計專用工裝夾具，控制車削壁厚差，并合理控制退火工藝消除機加應(yīng)力影響，防止薄壁件變形，

2.2 碳纖維纏繞成型技術(shù)

在不銹鋼筒體上環(huán)向纏繞高強度碳纖維，在纏繞時張力控制采用張力器控制每股紗的張力，利用張力遞減的纏繞工藝，避免由于外層纖維的張力作用使內(nèi)層出現(xiàn)松弛現(xiàn)象。采用無輥浸膠與施膠量控制降低纖維纏繞過程的損傷，提高生產(chǎn)效率和可靠性。

2.3 內(nèi)表面研磨技術(shù)

碳纖維環(huán)向纏繞筒為過濾器部件，在工作中需嵌入芯軸。因此，保證螺紋與內(nèi)腔同軸及控制內(nèi)表面粗糙度極為重要。在機械加工中，表面粗糙度能達(dá)到Ra1.6，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到本產(chǎn)品要求的粗糙度，因此實施研磨技術(shù)非常關(guān)鍵。

在碳纖維環(huán)向纏繞筒成型后，內(nèi)腔裝入研磨料及研磨液，端口進(jìn)行密封，利用離心研磨原理進(jìn)行徑向往返運動可實現(xiàn)內(nèi)表面粗糙度降低至Ra0.1。為了保證鏡面效果，需增加離心拋光，同樣采用拋光料及拋光液，利用離心拋光，可達(dá)到鏡面效果。

3、結(jié)論

碳纖維環(huán)向纏繞筒在研發(fā)之初，對金屬筒體進(jìn)行受力計算及對復(fù)合材料層進(jìn)行有限元分析，可以達(dá)到產(chǎn)品需求性能及輕量化要求。內(nèi)表面研磨處理，實現(xiàn)內(nèi)壁鏡面拋光新技術(shù)。可推動輕量化、可應(yīng)對復(fù)雜環(huán)境的高壓復(fù)合材料容器產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄭傳祥，《復(fù)合材料壓力容器》，2006.5.

[2]ISO 11119-2：2013《復(fù)合氣瓶技術(shù)條件與試驗方法》.

[3]任明法，陳浩然.具有金屬內(nèi)襯復(fù)合材料纏繞壓力容器的制造工藝全過程應(yīng)力場的數(shù)值分析.

（作者單位：沈陽美茵聯(lián)合檢測有限公司）