一种碳纤维缠绕周向外波纹压力容器筒节结构及制备方法技术

本发明专利技术涉及一种碳纤维缠绕周向外波纹压力容器筒节结构及制备方法，将金属周向外波纹筒节内衬与复合材料层相结合，其中周向外波纹增加了内衬强度的同时，碳纤维环氧树脂复合材料层进一步的增加了总体的承载能力。金属周向外波纹筒节内衬采用轧制方法一体成型，加工过程便捷高效；碳纤维环氧树脂复合材料层采用纤维缠绕技术，将碳纤维环氧树脂缠绕在内衬外波纹壁上；最后进行碳纤维缠绕层的固化成型。所形成的碳纤维缠绕周向外波纹压力容器筒节结构，具有较轻的重量、较高的承载能力、以及良好的耐疲劳性等特点。的耐疲劳性等特点。的耐疲劳性等特点。

【技术实现步骤摘要】
一种碳纤维缠绕周向外波纹压力容器筒节结构及制备方法


[0001]本专利技术涉及储氢压力容器
，尤其涉及一种碳纤维缠绕周向外波纹压力容器筒节结构及制备方法。

技术介绍

[0002]氢能作为来源广泛、利用高效、清洁环保的二次能源，是全球新能源研究的重要方向。随着氢能的广泛研究，储氢压力容器也得到了相应的发展。
[0003]目前国内市场中较为常见的储氢压力容器主要为单层储氢压力容器，其一般采用低合金高强钢无缝钢管制造，且结构多为等壁厚圆筒式结构。由于高压氢气储量大、充放频繁且易导致氢脆，易发生泄露和爆炸的危险，因此为满足高压多变的工作环境，储氢容器的壁厚参数通常设计的较大，但同时也加重了整体结构的重量。
[0004]为此有必要设计一种复合材料储氢压力容器，要求其具有提高临界载荷的能力，同时有着较轻的整体重量。

技术实现思路

[0005]针对现有技术中存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种碳纤维缠绕周向外波纹压力容器筒节结构，能够有效提高金属压力容器的临界破坏载荷，同时降低结构整体的重量。
[0006]本专利技术采用的技术方案如下：
[0007]本专利技术所提出的一种碳纤维缠绕周向外波纹压力容器筒节结构，包括金属周向外波纹筒节内衬和缠绕在金属周向外波纹筒节内衬外波纹上一定厚度的碳纤维环氧树脂复合材料层。
[0008]一种碳纤维缠绕周向外波纹压力容器筒节结构的制备方法，包括以下步骤：
[0009]S1、金属周向外波纹筒节内衬轧制成型；
[0010]S2、金属周向外波纹筒节内衬内外表面预处理；
[0011]S3、碳纤维缠绕金属周向外波纹筒节内衬，形成碳纤维环氧树脂复合材料层；
[0012]S4，碳纤维环氧树脂复合材料层固化成型。
[0013]进一步的，步骤S1中，所述金属周向外波纹筒节内衬轧制成型的过程所用到的轧机为特制波纹轧机，其驱动辊为波纹辊，芯辊为圆柱辊。
[0014]进一步的，步骤S1中，所述金属周向外波纹筒节内衬的波纹形貌函数为余弦函数：
[0015]y＝A cos(2πx/T)
[0016]式中：A为函数幅值；T为函数周期。
[0017]所述形貌函数，其参数的幅值A应小于或等于金属周向外波纹筒节内衬的平均厚度，且筒节内衬的长度应为其函数周期T的整数倍。
[0018]进一步的，步骤S2中，内外表面预处理后，金属周向外波纹筒节内衬内表面的表面粗糙度值为3.2μm，外波纹表面粗糙度控制在6.3μm。
[0019]进一步的，步骤S3中，所述碳纤维缠绕的缠绕方式为非测地线缠绕，采用干法缠绕工艺，将预浸胶的碳纤维束通过加热装置将环氧树脂融化，随后缠绕在金属周向外波纹筒节内衬的外波纹壁上。
[0020]进一步的，所述碳纤维束由数个碳纤维丝组成，碳纤维束的厚度为0.2
‑
0.3mm。
[0021]进一步的，所述非测地线缠绕的缠绕角度变化规律通过非测地线缠绕角微分方程求出，方程为：
[0022][0023]式中：λ为滑移系数；α为缠绕角；r为回转半径；r
′
和r
″
分别为回转半径对芯模轴线坐标z的一阶和二阶导数。
[0024]进一步的，步骤S4中，所述固化成型的固化温度≥70℃，固化时间为20
‑
30分钟。
[0025]本专利技术与现有技术相比具有以下有益效果：
[0026]1、本专利技术采用的金属周向外波纹筒节内衬，与普通圆柱形筒节相比，提高了储氢压力容器的承载能力；与其他加强筋压力容器相比，其周向外波纹加工方式更加便捷高效。
[0027]2、本专利技术采用的碳纤维环氧树脂复合材料层，与金属周向外波纹筒节内衬相结合，进一步增强了金属内衬的承载能力；与相同厚度纯金属压力容器相比，碳纤维环氧树脂增强周向外波纹压力容器筒节有着更轻的重量，以及更优良的耐疲劳特性。
附图说明
[0028]图1为本专利技术所提出的一种碳纤维缠绕周向外波纹压力容器筒节结构的轧制过程示意图；
[0029]图2为图1中金属周向外波纹筒节的结构示意图；
[0030]图3为碳纤维缠绕金属周向外波纹压力容器筒节的结构示意图。
[0031]其中，附图标记：1
‑
金属周向外波纹筒节；2
‑
碳纤维环氧树脂复合材料层；3
‑
驱动辊；4
‑
芯辊；5
‑
锥形导向辊。
具体实施方式
[0032]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0033]需要说明的是，在本专利技术的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“顶部”、“底部”、“一侧”、“另一侧”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利技术和简化描述，而不是指装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作。
[0034]本专利技术所提出的一种碳纤维缠绕周向外波纹压力容器筒节结构，包括金属周向外波纹筒节内衬1和一定厚度的碳纤维环氧树脂复合材料层2，所述碳纤维环氧树脂复合材料层2是由碳纤维束在环氧树脂胶溶液的粘合作用下，通过纤维缠绕机以一定的缠绕规律，缠绕在金属周向外波纹筒节内衬1的外波纹壁上。
[0035]一种碳纤维缠绕周向外波纹压力容器筒节结构的制备方法，具体包括以下步骤：
[0036]S1：金属周向外波纹筒节内衬轧制成型；
[0037]具体地，所述金属周向外波纹筒节内衬1通过轧制的方法成型，轧机包括驱动辊3、芯辊4、以及导向辊5；本专利技术中，轧制的过程中将现有轧机的驱动辊3更换成波纹辊，实现金属周向外波纹筒节内衬1的一体成型；所述芯辊4为圆柱辊；所述导向辊5为锥形辊。
[0038]所述金属周向外波纹筒节内衬1的长度设为L，内径设为D，平均厚度设为S；所述金属周向外波纹筒节内衬1的周向外波纹沿筒节轴向均匀分布至筒节两端端口，其波纹形貌参数为余弦函数：
[0039]y＝A cos(2πx/T)
[0040]式中：A为函数幅值；T为函数周期。
[0041]所述周向外波纹形貌参数，其函数的幅值A应小于或等于金属筒节内衬的平均厚度S，筒节长度L应为其函数周期T的整数倍，即：
[0042]A≤S
[0043]L＝nT
[0044]式中：n为倍数。
[0045]S2：金属周向外波纹筒节内衬内外表面预处理；
[0046]具体地，分别对金属周向外波纹筒节内衬1的外表面和内表面进行表面预处理，筒节内表面的表面粗糙度值为3.2μm；为使后续纤维缠绕成型过程中，纤维束在外波纹曲面稳定缠绕不产生滑移，筒节外波纹表面粗糙度应控制在6.本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碳纤维缠绕周向外波纹压力容器筒节结构，其特征在于：所述筒节结构包括金属周向外波纹筒节内衬和缠绕在金属周向外波纹筒节内衬外波纹上一定厚度的碳纤维环氧树脂复合材料层。2.根据权利要求1所述的一种碳纤维缠绕周向外波纹压力容器筒节结构的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：S1、金属周向外波纹筒节内衬轧制成型；S2、金属周向外波纹筒节内衬内外表面预处理；S3、碳纤维缠绕金属周向外波纹筒节内衬，形成碳纤维环氧树脂复合材料层；S4，碳纤维环氧树脂复合材料层固化成型。3.根据权利要求2所述的一种碳纤维缠绕周向外波纹压力容器筒节结构的制备方法，其特征在于：步骤S1中，所述金属周向外波纹筒节内衬轧制成型的过程所用到的轧机为特制波纹轧机，其驱动辊为波纹辊，芯辊为圆柱辊。4.根据权利要求2所述的一种碳纤维缠绕周向外波纹压力容器筒节结构的制备方法，其特征在于：步骤S1中，所述金属周向外波纹筒节内衬的波纹形貌函数为余弦函数：y＝A cos(2πx/T)式中：A为函数幅值；T为函数周期。所述形貌函数，其参数的幅值A应小于或等于金属周向外波纹筒节内衬的平均厚度，且筒节内衬的长度应为其函数周期T的整数倍。5.根据权利要求2所述的一种碳纤维缠绕周向外波纹压力容器筒节结构的制备方法，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙建亮，吴润泽，单存尧，齐铭方，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：