纤维缠绕复合材料压力容器梯度张力施加方法

摘要

本发明公开了一种纤维缠绕复合材料压力容器梯度张力施加方法，其缠绕层由内向外以缠绕张力梯度递减的方式进行缠绕，其中，每一缠绕层的缠绕张力，在综合考虑压力容器成型过程中的多种因素，通过式一进行精确计算得到纤维缠绕的梯度张力，并通过张力控制系统来控制缠绕过程中的缠绕张力，使压力容器从内到外的全部纤维层具有相同的初应力，克服了现有方法中纤维层松紧不一的缺陷，从而提高了容器的强度和抗疲劳性。

说明书

技术领域

本发明涉及纤维缠绕复合材料压力容器中纤维的缠绕张力梯度的设计与实施技术。

背景技术

纤维缠绕复合材料压力容器是由浸渍树脂后的纤维在内衬上进行一层层的连续缠绕制得的。目前，国内外关于压力容器纤维缠绕张力尚没有较为完善的施加方法，通常是采用恒张力或简单递减张力的方法，由里向外进行纵、环向交替缠绕。复合材料压力容器制造过程中，在缠绕张力作用下，后缠上去的纤维层都对先缠上去的纤维层产生径向压力，迫使径向产生压缩变形，从而使内层纤维变松。采用恒定的缠绕张力，使制品纤维层产生内松外紧现象，从而使内外层纤维初应力产生很大的差异；简单递减张力的方法也只是考虑缠绕过程中纤维应力变化，不能精确实现复合材料层应力沿壁厚均匀分布的要求，大大降低容器的强度和疲劳性能。在缠绕过程中，缠绕张力是一个关键工艺参数，它与制品的性能密切相关。现有的施加方法较难发挥缠绕层的整体力学性能，影响了压力容器的性能。

发明创造内容

本发明的目的是从纤维缠绕张力入手，提供一种纤维缠绕复合材料压力容器梯度张力施加方法，以提高压力容器的强度和抗疲劳性能。

本发明提供一种纤维缠绕复合材料压力容器梯度张力施加方法，主要是缠绕层由内向外以缠绕张力梯度递减的方式进行缠绕。

上述纤维缠绕复合材料压力容器梯度张力施加方法中，每一缠绕层的缠绕张力用式一计算：

$>>T>>(>>t>r>>)>>=>K>>1>>>t>r>>+>>t>Mf>>>>>s>式一$

式中：T_tr——纤维张力；

      t_r——纤维层厚度(mm)， $>>>t>r>>=>>\Sigma >>i>=>1>>r>>>(>>t>i>>sin>\alpha >)>>,>>s>\alpha 表示i层的缠绕角度；$

      t_Mf——金属内衬厚度折算为纤维当量厚度，即： $>>>t>Mf>>=>>>E>M>>>E>f>>>>t>M>>;>>s>E$_M和E_f分别为金属和纤维弹性模量；

K——常数；

K＝T₀·(t_Mf+t_f)

   T₀——最外层张力(N/cm)；

   t_f——纤维层厚度(cm)， $>>>t>f>>=>>\Sigma >>i>=>1>>n>>>(>>t>i>>sin>\alpha >)>>,>>s>\alpha 表示i层的缠绕角度。$

上述纤维缠绕复合材料压力容器梯度张力施加方法具体步骤包括：

1)确定压力容器金属内衬的厚度、弹性模量，缠绕层纤维材料的弹性模量、纤维初应力，单层纤维厚度和缠绕层数；

2)用公式一计算每层缠绕张力；

3)用微机控制张力系统检测和控制纤维缠绕过程，其中，将2)计算的缠绕张力作为该系统的设定值；

4)利用该微机控制张力系统对缠绕过程的缠绕张力进行实时检测并通过该系统中的张力施加机构调整缠绕张力的施加，完成缠绕全过程。

本发明通过精确计算，综合考虑压力容器成型过程中的多种因素，来设计纤维缠绕的梯度张力，并通过张力控制系统来控制缠绕过程中的缠绕张力，从而，使从内到外的全部纤维层具有相同的初应力，克服了现有方法中纤维层松紧不一的缺陷，从而提高了容器的强度和抗疲劳性。

附图说明

图1为内衬受力图，表明通过控制纤维层的应力梯度后，金属内衬的工作应力水平显著降低。

图2为实施例一设计梯度张力图，表明施加的缠绕张力呈梯度变化。

图3为纤维缠绕压力容器剖面示意图。

图4为式一呈递减变化曲线。

具体实施方式

通过研究发现，目前普遍使用的缠绕张力施加方法，使制品纤维层产生松紧不一状态，其原因在于内外层纤维初应力存在很大的差异。本发明主要解决的技术问题是消除各纤维层之间初应力的差异，使从内到外的全部纤维层具有相同的初应力，从而使容器性能得到提高。对此，本发明提出纤维缠绕层的梯度张力设计及施加方案。

进一步研究发现，纤维缠绕金属内衬压力容器的爆破强度、体积变形率、疲劳寿命、含胶量等都与选择的初始张力和张力梯度有关。本发明的主要问题是梯度张力设计和施加。1、梯度张力设计计算

梯度张力的设计主要包括纤维初应力值的确定和张力梯度值的设计计算。(1)确定纤维初应力值

确定复合材料压力容器的纤维缠绕张力，需综合考虑诸多因素的影响。本发明从分析内衬刚度、纤维强度与磨损、缠绕工艺等方面出发，并给出了计算公式。

纤维缠绕复合材料压力容器在工作压力下，如果金属内衬的应力过高、变形太大，容易引起早期开裂，发生渗漏。因此，可以通过控制纤维的缠绕张力，控制内衬的应力于某一范围之内，使容器在内压从零到检验压力反复加卸过程中，内衬材料始终能处于弹性阶段工作。为了实现这一目标，往往要求容器在零内压时，内衬处于压缩状态。

在缠绕过程中，纤维和内衬间只有力的相互作用，还不是一个复合体，各自服从其虎克定律。内衬在缠绕张力作用下产生压缩变形，纤维产生拉伸变形。如图1所示，图1中C点和A点分别表示容器缠绕完后，内压p＝0时内衬和纤维所处的应力—应变状态。也就是内衬和纤维的工作起点。

在加压过程中，内衬逐渐从压缩状态变为拉伸状态。直到内压达到检验压力时，内衬材料的应力仍处在弹性极限以下。纤维中的预应力可以提高纤维的工作应力，充分发挥纤维高强特性，增加复合壳体在内衬处于弹性阶段承担内压能力，提高疲劳性能。

图1中表示了纤维和金属材料的拉伸应力—应变。如果不对纤维施加预紧应力，则缠绕完成后，纤维和金属内衬中的应力状态均处于0点。通过梯度张力的施加，内衬处于一定的压缩状态(图中的C点)，而纤维处于拉伸状态(图中的A点)，并且σ₀t_f＝σ_M0t_M0，即σ₀＝σ_M0t_M0/t_f。

压力容器正常工作时，在内压作用下内衬中的应力状态从σ_M0(C点)变到σ_M1(D点)，纤维应力状态从初应力σ₀(A点)变到σ₁(B点)。

可见通过预应力的施加大大提高了纤维的利用率，降低了内衬应力水平。

当然，缠绕张力不应使内衬失稳。金属内衬临界外压计算公式：

$>>>\sigma >cr>>=>>>E>M>>>4>>(>1>->>\mu >2>>)>>>>>>(>>>t>M>>R>>)>>2>>>s>$

式中，σ_cr——内衬失稳应力；

     E_M——内衬材料的弹性模量；

     μ——内衬材料的泊松比；

     t_M——内衬厚度；

     R——内衬半径；

(2)梯度张力设计

梯度张力设计就是要使纤维缠绕压力容器中从内到外的各层纤维张力呈一定的梯度变化，最终目的是使各层纤维有相同的预应力，从而在容器正常工作时发挥复合材料的整体效果。

参见图3，为纤维缠绕压力容器剖面示意图，图3中，厚度为t_r处的纤维梯度张力可按式一进行计算：

$>>T>>(>>t>r>>)>>=>K>>1>>>t>r>>+>>t>Mf>>>>>s>式一$

式中T_tr——纤维张力；

     t_r——纤维层厚度(mm)， $>>>t>r>>=>>\Sigma >>i>=>1>>r>>>(>>t>i>>sin>\alpha >)>>,>>s>\alpha 表示各层的缠绕角度。$

    t_Mf——金属内衬厚度折算为纤维当量厚度，即： $>>>t>Mf>>=>>>E>M>>>E>f>>>>t>M>>;>>s>(E$_M和E_f分别为金属和纤维弹性模量)

 K——常数；

    K＝T₀·(t_Mf+t_f)

     T₀——最外层张力(N/mm)，T₀＝σ₀Δt，Δt为单层纤维厚度；

     t_f——纤维层厚度(mm)， $>>>t>f>>=>>\Sigma >>i>=>1>>n>>>(>>t>i>>sin>\alpha >)>>,>>s>\alpha 表示i层的缠绕角度。$

式一呈递减的函数变化，如图4所示。

式一推导过程：

梯度张力设计就是要使纤维缠绕压力容器中从内到外的各层纤维张力呈一定的梯度变化，最终目的是使各层纤维有相同的预应力，从而在容器正常工作时发挥复合材料的整体效果。

将复合材料层划分为n层，各层厚度为Δt＝t_f/n，第一层至最外层各层缠绕张力依次为T₁，T₂，……T_n，N/mm。全部纤维层与内衬一起发生压缩变形，其环向压缩力与该层缠绕张力大小相等，方向相反。如第二层的缠绕张力将迫使第一层与内衬一起发生压缩变形，其压缩力等于第二层缠绕张力值。任意第i层的缠绕张力将迫使它以里的全部缠绕层与内衬一起产生压缩变形，其压缩力等于第i层的缠绕张力值。

可见，各层纤维的实际应力为各层缠绕张力对自身产生的拉应力与全部外层缠绕张力对其产生的压应力之和，故：

$>>>\sigma >1>>=>>>T>1>>\Delta t>>->>>T>2>>>\Delta t>+>>t>Mf>>>>->·>·>·>·>·>·>->>>T>n>>>>(>n>->1>)>>\Delta t>+>>t>mf>>>>>s>$

$>>>\sigma >2>>=>>>T>2>>\Delta t>>->>>T>3>>>2>\Delta t>+>>t>Mf>>>>->·>·>·>·>·>·>->>>T>n>>>>(>n>->1>)>>\Delta t>+>>t>Mf>>>>>s>$

依次可得： $>>>\sigma >n>>=>>>T>n>>\Delta t>>.>>s>$

控制缠绕张力的目的就是要使各层纤维的初应力相等，即：σ₁＝σ₂＝……＝σ_n＝σ₀由σ₁＝σ₂，可得： $>>>T>2>>=>>>\Delta t>+>>t>Mf>>>>2>\Delta t>+>>t>Mf>>>>>T>1>>>s>由\sigma$₁＝σ₃，可得： $>>>T>3>>=>>>\Delta t>+>>t>Mf>>>>3>\Delta t>+>>t>Mf>>>>>T>1>>>s>以此类推可得：$ >>>T>j>>=>>>\Delta t>+>>t>Mf>>>>i\Delta t>+>>t>Mf>>>>>T>1>>,>>s>$ >>>T>n>>=>>>\Delta t>+>>t>Mf>>>>n\Delta t>+>>t>Mf>>>>>T>1>>>s>可得：$ >>>T>j>>=>>>n\Delta t>+>>t>Mf>>>>i\Delta t>+>>t>Mf>>>>>T>n>>=>>>>t>f>>+>>t>Mf>>>>>t>r>>+>>t>Mf>>>>>T>n>>>s>$$$$

设T_n＝T₀，因为所有各层纤维初应力都相等，故最外层缠绕张力为：T₀＝σ₀t_θ。令，K＝T₀(t_f+t_Mf)，则 $>>T>>(>>t>r>>)>>=>K>>1>>>t>r>>+>>t>Mf>>>>>s>$

2、张力施加

本发明基于上述推理和计算方法，在具体实施时，需要依据计算结果来控制缠绕张力的施加。缠绕张力的施加的控制是通过闭环的张力控制系统来进行的。张力控制系统由计算机中心控制系统、张力检测系统和张力施加机构三部分组成，在传绕过程中，由中心控制系统进行张力设定，并通过张力检测系统的反馈信息进行分析，来调节张力施加机构的紧张程度。本发明中可以使用北京玻璃钢研究院研制开发的MCTS-2000型闭环微机控制张力系统，对纤维缠绕过程中的张力进行实时检测和控制，通过监控器监控纱束上的实际张力，实时调整缠绕张力，使其保持均衡。每层缠绕张力与实际设定值误差不超过2％。

实施例一：用本发明缠绕方法制作具有铝合金内衬的5升和8升复合材料气瓶。整体结构为：铝合金内衬厚度为2mm，直径为100mm，复合材料环向缠绕层共10层，纵向缠绕层共8层(4个循环)，缠绕角度为20°。环向和纵向每两层进行交替缠绕。单层厚度为0.263mm。

用式一进行计算，

设计内衬应力 $>>>\sigma >cr>>=>>E>>4>>(>1>->>\mu >2>>)>>>>>>(>>>t>M>>R>>)>>2>>=>>72000>>4>\times >>(>1>->>0.3>2>>)>>>>\times >>>(>>2>50>>)>>2>>=>31.6>MPa>,>>s>取31MPa。$

设计纤维初应力σ₀＝σ_Mt_M/t_f＝31×2÷3.35＝18.5MPa。因此，纤维初张力为T₀＝18.5×0.263＝4.97(N/mm)

t_Mf＝70/200×2＝0.7mm，t_f＝0.263×10+0.263×8×sin20°＝3.35mm。

K＝T₀·(t_Mf+t_f)＝4.97×(0.7+3.35)＝20.1

$>>T>>(>>t>r>>)>>=>K>>1>>>t>r>>+>>t>Mf>>>>=>20.1>\times >>1>>>t>r>>+>0>.>7>>>>(>N>/>mm>)>>>s>$

张力实施时取每两层作为一个递减单位，则环向张力计算值为：

  缠绕层序号    t_r(mm)    张力(N/mm)    1    0.26    20.9    2    0.53    16.3    3    0.97    12.0    4    1.24    10.4    5    1.68    8.4    6    1.95    7.6    7    2.39    6.5    8    2.65    6.0    9    3.10    5.3    10    3.35    4.9

该环向缠绕张力梯度如图2所示。使用MCTS-2000型闭环微机控制张力系统对缠绕张力进行实时监控和调整，将计算值作为微机控制的设定值，每层缠绕张力的实际施加值与设定值误差不超过1％，依此完成梯度张力纤维缠绕过程。

实施例二：用本发明缠绕方法制作具有钢合金内衬的2升和4升复合材料气瓶。整体结构为：钢合金内衬2mm，直径为100mm，复合材料环向缠绕层共6层，纵向缠绕层共4层(2个循环)，缠绕角度为20°。环向和纵向每两层进行交替缠绕。单层厚度为0.263mm。

用上述公式进行计算

设计内衬应力 $>>>\sigma >cr>>=>>E>>4>>(>1>->>\mu >2>>)>>>>>>(>>>t>M>>R>>)>>2>>=>>210000>>4>\times >>(>1>->0>.>>3>2>>)>>>>\times >>>(>>2>50>>)>>2>>=>92.2>MPa>,>>s>取92Mpa。$

设计纤维初应力σ₀＝σ_Mt_M/t_f＝92×2÷1.94＝95MPa。因此，纤维初张力为T₀＝95×0.263＝25(N/mm)t_Mf＝210/200×2＝2.1mm，t_f＝0.263×6+0.263×4×sin20＝1.94mm。K＝T₀·(t_Mf+t_f)＝25×(2.1+1.94)＝101MPa

$>>T>>(>>t>r>>)>>=>K>>1>>>t>r>>+>>t>Mf>>>>=>101>\times >>1>>>t>r>>+>2.1>>>>s>$

张力实施时取每两层作为一个递减单位，则计算值为：

    序号    t_r(mm)    张力(N/mm)    1    0.53    38.4    2    1.23    30.3    3    1.93    25.0

使用MCTS-2000闭环微机控制张力系统对缠绕张力进行实时监控和调整，将计算值作为微机控制的设定值，每层缠绕张力的施加值与设定值误差不超过1％，完成设定的梯度张力纤维缠绕过程。

对上述实施例复合材料气瓶进行测试，

1、爆破压力测试：依据《航空用玻璃纤维增强塑料压力容器》(GJB392-87)进行水压爆破试验。

容  器  型  号    2升    4升    5升    8升采用恒定张力    70MPa    75MPa    80MPa    78MPa采用简单递减张力    76MPa    81MPa    84MPa    83MPa采用本发明梯度张力    92MPa    96MPa    103MPa    92MPa

测试结果：与传统缠绕方法制作的容器，爆破压力值提高了10～20％；

2、疲劳寿命测试：依据《航空用玻璃纤维增强塑料压力容器》(GJB392-87)进行水压爆破试验。

容  器  型  号    2升    4升    5升    8升采用恒定张力  6800次    8000次    7600次   7800次采用简单递减张力  7000次    8500次    7500次   8000次采用本发明梯度张力 10000次   16000次   11000次  12000次

疲劳寿命测试结果也由原来的7000～8000次提高到了10000次以上。

上述实验表明，通过纤维梯度张力设计与实施技术在复合材料压力容器制作中的应用，不仅改善了金属内衬的工作受力状态而且提高了复合材料的整体性能，使容器的爆破强度、疲劳寿命都大大提高。