專利名稱：纖維纏繞復(fù)合材料壓力容器梯度張力施加方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及纖維纏繞復(fù)合材料壓力容器中纖維的纏繞張力梯度的設(shè)計(jì)與實(shí)施技術(shù)。
背景技術(shù)：
纖維纏繞復(fù)合材料壓力容器是由浸漬樹脂后的纖維在內(nèi)襯上進(jìn)行一層層的連續(xù)纏繞制得的。目前，國內(nèi)外關(guān)于壓力容器纖維纏繞張力尚沒有較為完善的施加方法，通常是采用恒張力或簡單遞減張力的方法，由里向外進(jìn)行縱、環(huán)向交替纏繞。復(fù)合材料壓力容器制造過程中，在纏繞張力作用下，后纏上去的纖維層都對先纏上去的纖維層產(chǎn)生徑向壓力，迫使徑向產(chǎn)生壓縮變形，從而使內(nèi)層纖維變松。采用恒定的纏繞張力，使制品纖維層產(chǎn)生內(nèi)松外緊現(xiàn)象，從而使內(nèi)外層纖維初應(yīng)力產(chǎn)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(yīng)力變化，不能精確實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料層應(yīng)力沿壁厚均勻分布的要求，大大降低容器的強(qiáng)度和疲勞性能。在纏繞過程中，纏繞張力是一個(gè)關(guān)鍵工藝參數(shù)，它與制品的性能密切相關(guān)?，F(xiàn)有的施加方法較難發(fā)揮纏繞層的整體力學(xué)性能，影響了壓力容器的性能。
發(fā)明創(chuàng)造內(nèi)容本發(fā)明的目的是從纖維纏繞張力入手，提供一種纖維纏繞復(fù)合材料壓力容器梯度張力施加方法，以提高壓力容器的強(qiáng)度和抗疲勞性能。
本發(fā)明提供一種纖維纏繞復(fù)合材料壓力容器梯度張力施加方法，主要是纏繞層由內(nèi)向外以纏繞張力梯度遞減的方式進(jìn)行纏繞。
上述纖維纏繞復(fù)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(jì)算T(tr)=K1tr+tMf]]>式一式中Ttr——纖維張力；tr——纖維層厚度(mm)，tr=Σi=1r(tisinα),]]>α表示i層的纏繞角度；tMf——金屬內(nèi)襯厚度折算為纖維當(dāng)量厚度，即tMf=EMEftM;]]>EM和Ef分別為金屬和纖維彈性模量；
K——常數(shù)；K＝T0·(tMf+tf)T0——最外層張力(N/cm)；tf——纖維層厚度(cm)，tf=Σi=1n(tisinα),]]>α表示i層的纏繞角度。
上述纖維纏繞復(fù)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(nèi)襯的厚度、彈性模量，纏繞層纖維材料的彈性模量、纖維初應(yīng)力，單層纖維厚度和纏繞層數(shù)；2)用公式一計(jì)算每層纏繞張力；3)用微機(jī)控制張力系統(tǒng)檢測和控制纖維纏繞過程，其中，將2)計(jì)算的纏繞張力作為該系統(tǒng)的設(shè)定值；4)利用該微機(jī)控制張力系統(tǒng)對纏繞過程的纏繞張力進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測并通過該系統(tǒng)中的張力施加機(jī)構(gòu)調(diào)整纏繞張力的施加，完成纏繞全過程。
本發(fā)明通過精確計(jì)算，綜合考慮壓力容器成型過程中的多種因素，來設(shè)計(jì)纖維纏繞的梯度張力，并通過張力控制系統(tǒng)來控制纏繞過程中的纏繞張力，從而，使從內(nèi)到外的全部纖維層具有相同的初應(yīng)力，克服了現(xiàn)有方法中纖維層松緊不一的缺陷，從而提高了容器的強(qiáng)度和抗疲勞性。


圖1為內(nèi)襯受力圖，表明通過控制纖維層的應(yīng)力梯度后，金屬內(nèi)襯的工作應(yīng)力水平顯著降低。
圖2為實(shí)施例一設(shè)計(jì)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(shí)施例方式
通過研究發(fā)現(xiàn)，目前普遍使用的纏繞張力施加方法，使制品纖維層產(chǎn)生松緊不一狀態(tài)，其原因在于內(nèi)外層纖維初應(yīng)力存在很大的差異。本發(fā)明主要解決的技術(shù)問題是消除各纖維層之間初應(yīng)力的差異，使從內(nèi)到外的全部纖維層具有相同的初應(yīng)力，從而使容器性能得到提高。對此，本發(fā)明提出纖維纏繞層的梯度張力設(shè)計(jì)及施加方案。
進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，纖維纏繞金屬內(nèi)襯壓力容器的爆破強(qiáng)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(guān)。本發(fā)明的主要問題是梯度張力設(shè)計(jì)和施加。1、梯度張力設(shè)計(jì)計(jì)算梯度張力的設(shè)計(jì)主要包括纖維初應(yīng)力值的確定和張力梯度值的設(shè)計(jì)計(jì)算。(1)確定纖維初應(yīng)力值確定復(fù)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(fā)明從分析內(nèi)襯剛度、纖維強(qiáng)度與磨損、纏繞工藝等方面出發(fā)，并給出了計(jì)算公式。
纖維纏繞復(fù)合材料壓力容器在工作壓力下，如果金屬內(nèi)襯的應(yīng)力過高、變形太大，容易引起早期開裂，發(fā)生滲漏。因此，可以通過控制纖維的纏繞張力，控制內(nèi)襯的應(yīng)力于某一范圍之內(nèi)，使容器在內(nèi)壓從零到檢驗(yàn)壓力反復(fù)加卸過程中，內(nèi)襯材料始終能處于彈性階段工作。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，往往要求容器在零內(nèi)壓時(shí)，內(nèi)襯處于壓縮狀態(tài)。
在纏繞過程中，纖維和內(nèi)襯間只有力的相互作用，還不是一個(gè)復(fù)合體，各自服從其虎克定律。內(nèi)襯在纏繞張力作用下產(chǎn)生壓縮變形，纖維產(chǎn)生拉伸變形。如圖1所示，圖1中C點(diǎn)和A點(diǎn)分別表示容器纏繞完后，內(nèi)壓p＝0時(shí)內(nèi)襯和纖維所處的應(yīng)力—應(yīng)變狀態(tài)。也就是內(nèi)襯和纖維的工作起點(diǎn)。
在加壓過程中，內(nèi)襯逐漸從壓縮狀態(tài)變?yōu)槔鞝顟B(tài)。直到內(nèi)壓達(dá)到檢驗(yàn)壓力時(shí)，內(nèi)襯材料的應(yīng)力仍處在彈性極限以下。纖維中的預(yù)應(yīng)力可以提高纖維的工作應(yīng)力，充分發(fā)揮纖維高強(qiáng)特性，增加復(fù)合殼體在內(nèi)襯處于彈性階段承擔(dān)內(nèi)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(yīng)力—應(yīng)變。如果不對纖維施加預(yù)緊應(yīng)力，則纏繞完成后，纖維和金屬內(nèi)襯中的應(yīng)力狀態(tài)均處于0點(diǎn)。通過梯度張力的施加，內(nèi)襯處于一定的壓縮狀態(tài)(圖中的C點(diǎn))，而纖維處于拉伸狀態(tài)(圖中的A點(diǎn))，并且σ0tf＝σM0tM0，即σ0＝σM0tM0/tf。
壓力容器正常工作時(shí)，在內(nèi)壓作用下內(nèi)襯中的應(yīng)力狀態(tài)從σM0(C點(diǎn))變到σM1(D點(diǎn))，纖維應(yīng)力狀態(tài)從初應(yīng)力σ0(A點(diǎn))變到σ1(B點(diǎn))。
可見通過預(yù)應(yīng)力的施加大大提高了纖維的利用率，降低了內(nèi)襯應(yīng)力水平。
當(dāng)然，纏繞張力不應(yīng)使內(nèi)襯失穩(wěn)。金屬內(nèi)襯臨界外壓計(jì)算公式σcr=EM4(1-μ2)(tMR)2]]>式中，σcr——內(nèi)襯失穩(wěn)應(yīng)力；EM——內(nèi)襯材料的彈性模量；μ——內(nèi)襯材料的泊松比；tM——內(nèi)襯厚度；R——內(nèi)襯半徑；
(2)梯度張力設(shè)計(jì)梯度張力設(shè)計(jì)就是要使纖維纏繞壓力容器中從內(nèi)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(yù)應(yīng)力，從而在容器正常工作時(shí)發(fā)揮復(fù)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(jìn)行計(jì)算T(tr)=K1tr+tMf]]>式一式中Ttr——纖維張力；tr——纖維層厚度(mm)，tr=Σi=1r(tisinα),]]>α表示各層的纏繞角度。
tMf——金屬內(nèi)襯厚度折算為纖維當(dāng)量厚度，即tMf=EMEftM;]]>(EM和Ef分別為金屬和纖維彈性模量)K——常數(shù)；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=Σi=1n(tisinα),]]>α表示i層的纏繞角度。
式一呈遞減的函數(shù)變化，如圖4所示。
式一推導(dǎo)過程梯度張力設(shè)計(jì)就是要使纖維纏繞壓力容器中從內(nèi)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(yù)應(yīng)力，從而在容器正常工作時(shí)發(fā)揮復(fù)合材料的整體效果。
將復(fù)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(nèi)襯一起發(fā)生壓縮變形，其環(huán)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(nèi)襯一起發(fā)生壓縮變形，其壓縮力等于第二層纏繞張力值。任意第i層的纏繞張力將迫使它以里的全部纏繞層與內(nèi)襯一起產(chǎn)生壓縮變形，其壓縮力等于第i層的纏繞張力值。
可見，各層纖維的實(shí)際應(yīng)力為各層纏繞張力對自身產(chǎn)生的拉應(yīng)力與全部外層纏繞張力對其產(chǎn)生的壓應(yīng)力之和，故
σ1=T1Δt-T2Δt+tMf-······-Tn(n-1)Δt+tmf]]>σ2=T2Δt-T32Δt+tMf-······-Tn(n-1)Δt+tMf]]>依次可得σn=TnΔt.]]>控制纏繞張力的目的就是要使各層纖維的初應(yīng)力相等，即σ1＝σ2＝……＝σn＝σ0由σ1＝σ2，可得T2=Δt+tMf2Δt+tMfT1]]>由σ1＝σ3，可得T3=Δt+tMf3Δt+tMfT1]]>以此類推可得Tj=Δt+tMfiΔt+tMfT1,]]>Tn=Δt+tMfnΔt+tMfT1]]>可得Tj=nΔt+tMfiΔt+tMfTn=tf+tMftr+tMfTn]]>設(shè)Tn＝T0，因?yàn)樗懈鲗永w維初應(yīng)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(fā)明基于上述推理和計(jì)算方法，在具體實(shí)施時(shí)，需要依據(jù)計(jì)算結(jié)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(huán)的張力控制系統(tǒng)來進(jìn)行的。張力控制系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)中心控制系統(tǒng)、張力檢測系統(tǒng)和張力施加機(jī)構(gòu)三部分組成，在傳繞過程中，由中心控制系統(tǒng)進(jìn)行張力設(shè)定，并通過張力檢測系統(tǒng)的反饋信息進(jìn)行分析，來調(diào)節(jié)張力施加機(jī)構(gòu)的緊張程度。本發(fā)明中可以使用北京玻璃鋼研究院研制開發(fā)的MCTS-2000型閉環(huán)微機(jī)控制張力系統(tǒng)，對纖維纏繞過程中的張力進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測和控制，通過監(jiān)控器監(jiān)控紗束上的實(shí)際張力，實(shí)時(shí)調(diào)整纏繞張力，使其保持均衡。每層纏繞張力與實(shí)際設(shè)定值誤差不超過2％。
實(shí)施例一用本發(fā)明纏繞方法制作具有鋁合金內(nèi)襯的5升和8升復(fù)合材料氣瓶。整體結(jié)構(gòu)為鋁合金內(nèi)襯厚度為2mm，直徑為100mm，復(fù)合材料環(huán)向纏繞層共10層，縱向纏繞層共8層(4個(gè)循環(huán))，纏繞角度為20°。環(huán)向和縱向每兩層進(jìn)行交替纏繞。單層厚度為0.263mm。
用式一進(jìn)行計(jì)算，設(shè)計(jì)內(nèi)襯應(yīng)力σcr=E4(1-μ2)(tMR)2=720004×(1-0.32)×(250)2=31.6MPa,]]>取31MPa。
設(shè)計(jì)纖維初應(yīng)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=20.1×1tr+0.7(N/mm)]]>張力實(shí)施時(shí)取每兩層作為一個(gè)遞減單位，則環(huán)向張力計(jì)算值為

該環(huán)向纏繞張力梯度如圖2所示。使用MCTS-2000型閉環(huán)微機(jī)控制張力系統(tǒng)對纏繞張力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和調(diào)整，將計(jì)算值作為微機(jī)控制的設(shè)定值，每層纏繞張力的實(shí)際施加值與設(shè)定值誤差不超過1％，依此完成梯度張力纖維纏繞過程。
實(shí)施例二用本發(fā)明纏繞方法制作具有鋼合金內(nèi)襯的2升和4升復(fù)合材料氣瓶。整體結(jié)構(gòu)為鋼合金內(nèi)襯2mm，直徑為100mm，復(fù)合材料環(huán)向纏繞層共6層，縱向纏繞層共4層(2個(gè)循環(huán))，纏繞角度為20°。環(huán)向和縱向每兩層進(jìn)行交替纏繞。單層厚度為0.263mm。
用上述公式進(jìn)行計(jì)算設(shè)計(jì)內(nèi)襯應(yīng)力σcr=E4(1-μ2)(tMR)2=2100004×(1-0.32)×(250)2=92.2MPa,]]>取92Mpa。
設(shè)計(jì)纖維初應(yīng)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=101×1tr+2.1]]>張力實(shí)施時(shí)取每兩層作為一個(gè)遞減單位，則計(jì)算值為

使用MCTS-2000閉環(huán)微機(jī)控制張力系統(tǒng)對纏繞張力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和調(diào)整，將計(jì)算值作為微機(jī)控制的設(shè)定值，每層纏繞張力的施加值與設(shè)定值誤差不超過1％，完成設(shè)定的梯度張力纖維纏繞過程。
對上述實(shí)施例復(fù)合材料氣瓶進(jìn)行測試，1、爆破壓力測試依據(jù)《航空用玻璃纖維增強(qiáng)塑料壓力容器》(GJB392-87)進(jìn)行水壓爆破試驗(yàn)。

測試結(jié)果與傳統(tǒng)纏繞方法制作的容器，爆破壓力值提高了10～20％；2、疲勞壽命測試依據(jù)《航空用玻璃纖維增強(qiáng)塑料壓力容器》(GJB392-87)進(jìn)行水壓爆破試驗(yàn)。

疲勞壽命測試結(jié)果也由原來的7000～8000次提高到了10000次以上。
上述實(shí)驗(yàn)表明，通過纖維梯度張力設(shè)計(jì)與實(shí)施技術(shù)在復(fù)合材料壓力容器制作中的應(yīng)用，不僅改善了金屬內(nèi)襯的工作受力狀態(tài)而且提高了復(fù)合材料的整體性能，使容器的爆破強(qiáng)度、疲勞壽命都大大提高。
權(quán)利要求
1.一種纖維纏繞復(fù)合材料壓力容器梯度張力施加方法，其特征在于，纏繞層由內(nèi)向外以纏繞張力梯度遞減的方式進(jìn)行纏繞。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的纖維纏繞復(fù)合材料壓力容器梯度張力施加方法，其特征在于，所述每一纏繞層的纏繞張力用式一計(jì)算T(tr)=K1tr+tMf]]>式一式中Ttr——纖維張力；tr——纖維層厚度(mm)，tr=Σi=1r(trsinα),]]>α表示各層的纏繞角度；tMf——金屬內(nèi)襯厚度折算為纖維當(dāng)量厚度，即tMf=EMEftM;]]>EM和Ef分別為金屬和纖維彈性模量；K——常數(shù)；K＝T0·(tMf+tf)T0——最外層張力(N/cm)；tf——纖維層厚度(cm)，tf=Σi=1n(tisinα),]]>α為i層纏繞角度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的纖維纏繞復(fù)合材料壓力容器梯度張力施加方法，其特征在于，具體步驟包括1)確定壓力容器金屬內(nèi)襯的厚度、彈性模量，纏繞層纖維材料的彈性模量、纖維初應(yīng)力，單層纖維厚度和纏繞層數(shù)；2)用公式一計(jì)算每層纏繞張力；3)用微機(jī)控制張力系統(tǒng)檢測和控制纖維纏繞過程，其中，將2)計(jì)算的纏繞張力作為該系統(tǒng)的設(shè)定值；4)利用該微機(jī)控制張力系統(tǒng)對纏繞過程的纏繞張力進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測并通過該系統(tǒng)中的張力施加機(jī)構(gòu)調(diào)整纏繞張力的施加，完成纏繞全過程。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種纖維纏繞復(fù)合材料壓力容器梯度張力施加方法，其纏繞層由內(nèi)向外以纏繞張力梯度遞減的方式進(jìn)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(jìn)行精確計(jì)算得到纖維纏繞的梯度張力，并通過張力控制系統(tǒng)來控制纏繞過程中的纏繞張力，使壓力容器從內(nèi)到外的全部纖維層具有相同的初應(yīng)力，克服了現(xiàn)有方法中纖維層松緊不一的缺陷，從而提高了容器的強(qiáng)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(yōu)先權(quán)日2003年9月30日
發(fā)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