含金属内衬碳纤维复合材料身管及其预应力施加方法与流程

本发明涉及一种含有金属内衬碳纤维复合材料承压身管结构及相应的预应力施加方法。

背景技术：

现代军事技术的发展要求未来武器装备具有轻便、机动、灵活快速反应等特点，因此必须大力开发新型结构和功能材料。其中纤维复合材料具有轻质、高强、不锈蚀、耐腐蚀、耐疲劳及可设计性好等优点，是目前应用最为广泛的一类新型材料。但纤维复合材料的抗烧蚀能力和密闭性较差，所以一般在纤维复合材料发射筒的内壁附加一层金属材料，这种含金属内衬的纤维复合材料发射筒不仅质量轻、可设计性强，还具有很好的密封性，可满足各种武器平台对发射筒的使用要求，具有广泛的应用前景。目前我国部队采用的发射筒身管仍采用全金属制作，过重的发射筒不方便战士携带，作战的灵活机动性也较差。

如果直接在金属内衬外表面缠绕碳纤维复合材料来制作身管，也存在一些技术上的不足:

其一：金属内衬外表面缠绕的复合材料层需要高温固化，如采用热固性聚酰亚胺树脂，固化温度达三百度以上，在这么高的固化温度下，金属内衬发生膨胀，而外表面的碳纤维复合材料层对温度不敏感，高温下基本不发生膨胀，金属内衬热膨胀后将外表面缠绕的碳纤维复合材料层撑开，固化冷却后，金属内衬发生收缩，容易在复合材料层与金属内衬界面产生间隙，发生结合不紧密的情况，导致碳纤维复合材料层无法起到加固身管环向强度的作用。

其二：金属内衬的模量一般为200GPa，屈服强度为1280MPa，而碳纤维(T800)复合材料层环向模量一般小于金属的模量，一般为180GPa，强度为3000MPa左右，因为复合材料的环向模量小于金属内衬，所以在实弹发射时，碳纤维复合材料层上的环向应力小于金属内衬上的环向应力更远远低于其自身强度，造成材料的浪费。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种含金属内衬碳纤维复合材料身管及其预应力施加方法，提高金属内衬与作为加固件的碳纤维复合材料层之间的接触紧密性。利用金属塑性变形的特性使金属内衬在外部高压作用下环向发生不可恢复的塑性变形，同时金属内衬外的碳纤维复合材料层保持弹性变形状态，产生环向拉应力，从而使金属内衬在碳纤维复合材料层的作用下产生环向压应力。当金属内衬内腔受到压力时，环向压应力将抵消部分金属内衬承受的拉应力，从而改善金属内衬的受力状况。而且，如果金属内衬中有细微裂纹存在，由于环向压应力的存在，可延缓其发展过程，从而提高身管耐疲劳性能。

本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种金属内衬缠绕碳纤维复合材料身管，包括金属内衬、金属尾管和碳纤维复合材料层，所述金属内衬和金属尾管衔接，所述金属内衬的筒身外周成型有环形凹槽，所述碳纤维复合材料层对应缠绕在所述环形凹槽内，并且所述碳纤维复合材料层具有环向压紧该金属内衬的趋势。

金属内衬的两端设置有连接螺纹，若干金属内衬之间通过螺纹实现依次连接，金属尾管与末端金属内衬相连接。金属尾管设置在身管的末端部位，无需碳纤维复合材料层的加固。

本发明解决另一技术问题所采用的技术方案是提供一种含金属内衬碳纤维复合材料身管预应力施加方法，提高金属内衬与碳纤维复合材料层间的接触紧密性，将碳纤维复合材料均匀环向缠绕至金属内衬的环形凹槽上，高温固化完成后，将金属内衬两端暂时密封，用水压机对含金属内衬碳纤维复合材料身管内腔进行加压，加压过程中记录水压与碳纤维复合材料层的环向应变，用于判断碳纤维复合材料层与金属内衬界面之间的松紧状况及金属内衬的应力状态；假设金属内衬的屈服强度为1280MPa，弹性模量为200GPa，碳纤维(T800)复合材料层环向强度为3000MPa，环向模量为180GPa，则金属内衬发生弹性应变的最大值为0.64%，碳纤维复合材料层的极限应变为1.67%。当金属内衬被判断出发生塑性变形并且碳纤维复合材料层所产生的环向变形量大于金属内衬的环向弹性变形量的最大值时，泄压，可以通过调整碳纤维复合材料层产生的环向变形量与0.64%的差值的大小来调整金属内衬与碳纤维复合材料层间预应力的大小；泄压完成后，测量金属内衬内壁尺寸，并车加工至需要的口径；最后将做好的缠绕有碳纤维复合材料层的若干金属内衬依次首尾连接，并将金属尾管连接到末端的金属内衬的端部，即为身管。

与现有技术相比，本发明具有如下特点：

1、本发明的身管可作为炮筒使用，身管采用分段连接设计方式，若干带有碳纤维复合材料层的金属内衬之间通过螺纹连接，再依次与金属尾管及支架等组装，可减轻身管每段的重量，便于战士携带，缠绕碳纤维复合材料层的金属内衬结构坚固，便于进行打压工序。

2、本发明的提高金属内衬和碳纤维复合材料层间接触紧密性的工艺，利用了金属内衬在水压作用下发生可恢复的弹性形变和不可恢复的塑性形变的特性，使碳纤维复合材料层对金属内衬产生了环向预应力，从而使两者接触更加紧密，碳纤维复合材料层受到一个环向拉应力，而金属内衬受到一个环向压应力，相应的身管在作为炮筒使用的情况下，当发射使炮筒内产生高膛压时，金属内衬受到的环向压应力将抵消部分火药气体带来的巨大拉应力，从而改善金属内衬的受力状况。如果金属内衬中有细微裂纹存在，由于压应力的存在，可延缓其发展过程，从而提高身管的抗疲劳性能。

3、本发明的身管可以使碳纤维复合材料层更多地承担环向承压负荷，充分发挥碳纤维复合材料高强度的优势，使整个身管结构受力更加合理，使采用低牌号低模量（例如T700级）碳纤维进行缠绕成为可能性，提高了产品的经济性。

附图说明

图1为本发明实施例中身管的后半部分结构示意图；

图2为本发明实施例中身管的前半部分结构示意图；

图3为本发明实施例中未车削螺纹的金属内衬和碳纤维复合材料层的组装示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

如图1至3所示，本实施例中的身管，包括若干金属内衬2和与金属内衬数量相等的碳纤维复合材料层3和金属尾管1，各金属内衬2的两端分别设置有（内、外）连接螺纹2.2，若干金属内衬2之间依次通过螺纹首尾连接，金属尾管1与末端金属内衬2连接，金属内衬2的筒身外周成型有环形凹槽2.1，碳纤维复合材料一一对应缠绕在各金属内衬2的环形凹槽2.1内以形成前述的碳纤维复合材料层3，并且所述碳纤维复合材料层3始终具有环向压紧该金属内衬2的趋势，金属内衬2两端作为待车削成上述连接螺纹2.2的相应部位4。

身管采用了分段组装的设计方式，可减轻身管每段的重量，便于战士携带，缠绕碳纤维复合材料层的金属内衬结构坚固，耐冲击压能力强，提高了身管的使用寿命。

身管的制造方法具体为，将碳纤维复合材料缠绕至金属内衬的环形凹槽上，高温固化后，将金属内衬两端暂时密封，用水压机对含金属内衬碳纤维复合材料身管内腔进行加压，加压过程中记录水压与碳纤维复合材料层的环向应变，用于判断碳纤维复合材料层与金属内衬界面之间的松紧状况及金属内衬的应力状态；当金属内衬被判断出发生塑性变形并且碳纤维复合材料层所产生的环向变形量大于金属内衬的环向弹性变形量的最大值时，泄压，可以通过调整碳纤维复合材料层产生的环向变形量与金属内衬产生的环向弹性变形量差值的大小来调整金属内衬与碳纤维复合材料层间预应力的大小；泄压完成后，去掉两端密封装置，测量金属内衬内壁尺寸，并车加工至需要的口径；最后将做好的缠有碳纤维复合材料层的若干金属内衬依次首尾连接，并将金属尾管连接到末端金属内衬的端部，即为身管。

上述身管的制造工艺使碳纤维复合材料层与金属内衬之间产生了环向预应力，从而使两者接触更加紧密，碳纤维复合材料层受到一个环向拉应力，而金属内衬受到一个环向压应力，从而改善金属内衬的受力状况。