含超薄金屬內(nèi)襯輕量化復合材料壓力容器的設計與制備

摘要：本文將提出一種含超薄金屬內(nèi)襯輕量化復合材料壓力容器的設計與制備技術，并對于該技術的具體設計與制備應用進行分析論述。

關鍵詞：超薄；金屬內(nèi)襯；輕量化；復合材料；壓力容器；設計制備；研究

近年來，隨著新技術以及新設備的不斷發(fā)展與應用，工業(yè)生產(chǎn)與加工制造中對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)量以及長壽命等更高的設計與制造要求，使得高結構效率的輕量化復合材料壓力容器成為一個熱點問題。下文將結合這一背景條件，根據(jù)帶金屬內(nèi)襯復合材料壓力容器中內(nèi)襯的作用以及復合材料結構層進行承擔荷載的特征，提出一種含超薄金屬內(nèi)襯輕量化復合材料壓力容器的設計與制備技術，具體報道如下。

1.復合材料結構層的剛度優(yōu)化設計方法分析

進行含超薄金屬內(nèi)襯輕量化復合材料壓力容器的設計與制備實現(xiàn)，主要就是以減薄金屬內(nèi)襯的厚度和實現(xiàn)復合材料結構層的剛度優(yōu)化為主，以實現(xiàn)超薄、輕量化、高強復合材料結構層剛度的設計與制備目的。首先，在進行復合材料結構層的剛度優(yōu)化設計中，本文主要采用一種基于穩(wěn)定纏繞理論的結構剛度優(yōu)化設計方法，對于復合材料結構層的剛度實現(xiàn)優(yōu)化設計。工業(yè)生產(chǎn)與加工制造中，對于復合材料壓力容器的結構層剛度優(yōu)化設計，多是使用網(wǎng)格理論進行復合材料壓力容器強度設計實現(xiàn)的，它主要應用經(jīng)驗進行滑線系數(shù)取值確定后，通常對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，然后應用公式對于可纏繞范圍進行求解，并給定初始纏繞角，通過在纏繞機上進行大量的工藝試驗后，對于初始纏繞角進行排線修改，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)這個纏繞角進行設計制備壓力容器的剛度校核，以完成對于復合材料壓力容器的結構剛度優(yōu)化設計。

（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數(shù)，其中 。

上文所述的這種基于試錯試驗的復合材料結構層剛度優(yōu)化設計方式，在優(yōu)化設計過程中，難以對實際的穩(wěn)定纏繞范圍進行獲取，因此也就無法進行復合材料壓力容器結構的剛度優(yōu)化實現(xiàn)，在實際設計制造中就不能夠最大化的實現(xiàn)纖維強度發(fā)揮，難以實現(xiàn)復合材料壓力容器減重與輕量化的目的。

根據(jù)這種設計方法的缺陷與局限性，本文通過進行一種基于穩(wěn)定纏繞理論的結構剛度優(yōu)化設計方法的設計構建，來實現(xiàn)對于復合材料壓力容器的結構剛度優(yōu)化設計。基于穩(wěn)定纏繞理論的結構剛度優(yōu)化設計，主要通過對纏繞纖維和芯模表面間滑線系數(shù)的精確表征，對于真實可靠的滑線系數(shù)進行測量求得，同時在獲取滑線系數(shù)和纏繞角的連續(xù)對應關系后，通過上述公式（1）對于可穩(wěn)定纏繞范圍進行準確求得，同時通過對于可穩(wěn)定纏繞范圍內(nèi)每一纏繞角對應的纖維軌跡厚度、剛度等進行預測計算，以實現(xiàn)在穩(wěn)定纏繞范圍內(nèi)，對于復合材料壓力容器結構剛度的優(yōu)化設計，使得復合材料結構能夠最大效率的發(fā)揮纖維強度，提高結構效率，實現(xiàn)復合材料壓力容器設計制備中減重與輕量化的目的。

在基于穩(wěn)定纏繞理論的結構剛度優(yōu)化設計方法中，對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現(xiàn)，主要是根據(jù)一般曲面穩(wěn)定纏繞原理，通過對芯模表面上落紗點的力學分析，在進行一種具有自主知識產(chǎn)權標定模型設計基礎上，實現(xiàn)對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，設計建立的具有自主知識產(chǎn)權的標定模型，在固定纏繞角情況下，沿其母線方向任意點的緯度圓半徑和該點的滑線系數(shù)之間滿足線性關系。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是一個常數(shù)。通過該標定模型能夠精確對于纏繞纖維和芯模表面間滑線系數(shù)值進行表征，能夠為穩(wěn)定纏繞范圍以及復合材料壓力容器結構剛度優(yōu)化進行參數(shù)提供。

2.大尺寸超薄金屬內(nèi)襯的成型設計方法分析

本文主要以鋁合金材料為主，對于大尺寸超薄鋁合金內(nèi)襯的設計成型方法進行分析。在壓力容器設計制造中，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，是輕量化復合材料壓力容器設計制備中金屬內(nèi)襯的首先材料，并且該材料在壓力容器的整個設計制備中占有比例達到1/3以上。此外，應用鋁合金作為金屬內(nèi)襯材料進行輕量化復合材料壓力容器設計制備中，如果鋁合金的內(nèi)襯厚度每減薄0.1毫米，復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計制備中實現(xiàn)減重的目的。

由于輕量化復合材料壓力容器直徑的越來越大，實現(xiàn)大尺寸超薄鋁合金內(nèi)襯的成型設計具有較為突出的難度。針對這一情況，通過在封頭部分使用旋壓工藝，然后與筒身進行焊接成型的設計制備方法，實現(xiàn)大尺寸超薄鋁合金內(nèi)襯的成型設計，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，很好的滿足和實現(xiàn)了輕量化復合材料壓力容器設計與制備。

在進行含超薄金屬內(nèi)襯輕量化復合材料壓力容器設計制備中，完成減薄金屬內(nèi)襯厚度與復合材料結構層的剛度優(yōu)化設計后，要想完整的實現(xiàn)對于含超薄金屬內(nèi)襯輕量化復合材料壓力容器的設計制備，還需要進行超波金屬內(nèi)襯和復合材料變形的協(xié)調(diào)控制，同時對于輕量化復合材料壓力容器的設計制備進行自動修復，以保證設計制備質(zhì)量和效果。

3.結束語

總之，含超薄金屬內(nèi)襯輕量化復合材料壓力容器的設計制備實現(xiàn)，能夠滿足壓力容器設計制備的高氣密以及輕質(zhì)量、長壽命的要求，對于推動壓力容器設計制備技術水平的發(fā)展提升有著積極作用和意義。

參考文獻：

[1]王霞，宋文軒.大型煤制甲醇裝置壓力容器的設計與制造研究[J].化學工業(yè).2010（9）.

[2]劉志棟，于斌，王小永，俞樹榮.航空用球形金屬內(nèi)襯復合材料氣瓶研制[J].玻璃鋼/復合材料.2012（3）.

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