复合材料气瓶设计与制造的两步成型方法及应用

摘要

一种复合材料气瓶设计与制造的两步成型方法及应用，属于压力容器设计与制造领域。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。分别根据P_基、P_附。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；再进行第二步的缠绕和固化加工，固化时的最高温度适当调低，得到最终成型产品。本发明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。

主权项

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。