一种Ⅴ型全复合材料压力容器成型装置及方法

本发明涉及特种设备加工成型领域，具体涉及一种ⅴ型全复合材料压力容器成型装置及方法。

背景技术：

1、压力容器是用于存储和运输高压气体、液体的重要设备。目前，设计用于高压下储存液体和气体的压力容器和储罐的发展经历了四个不同的阶段：全金属压力容器（ⅰ型），纤维复合材料环向缠绕金属内胆（ⅱ型），纤维复合材料全缠绕金属内胆（ⅲ型），纤维复合材料全缠绕塑料内胆（ⅳ型），其中复合材料全缠绕压力容器在航空航天、交通运输等领域应用广泛，开发安全、轻质、高效的压力容器已成为一种重要的能源储运技术需求。而压力容器的第五个阶段——全复合材料的无内胆储罐（ⅴ型），是指不含任何内胆、完全采用复合材料加工而成的压力容器，可进一步减轻压力容器的质量，然而没有内胆的情况下成型具有较大的挑战性，长期以来ⅴ型压力容器一直被认为是压力容器行业产品和技术的制高点。当前，只有美国设计了可商用、全复合材料、无内胆的压力容器，其通过先制造一个可溶解的、与压力容器形状一致的内胆模具，然后在内胆模具上缠绕纤维复合材料，待复合材料固化完成后溶解内胆模具，成型ⅴ型压力容器。这种方法成型效率较低，成本高。因此，有必要提出一种无需进行内胆模具溶解的全新ⅴ型压力容器成型方法。

技术实现思路

1、本发明为了制造除阀座外完全由复合材料加工而成的压力容器，用于减轻压力容器的质量，且不需对模具进行溶解取出，提高成型效率，降低成本，提供一种ⅴ型全复合材料压力容器成型装置及方法。

2、本发明采取以下技术方案：一种ⅴ型全复合材料压力容器成型装置，包括半筒身模具，所述半筒身模具的筒身部分长度为所加工压力容器筒身长度的一半，半筒身模具的封头部分一端留有放置阀座的凹槽，另一端安装纤维分纱圈；半筒身模具与阀座通过花键连接，阀座和纤维分纱圈与纤维缠绕设备的旋转轴通过螺纹连接。

3、在一些实施例中，纤维分纱圈圆周方向上阵列分布有分纱齿，纤维分纱圈环向固定在半筒身模具内侧，纤维分纱圈轴向加工有螺纹孔与纤维缠绕设备的旋转轴连接。

4、在一些实施例中，纤维分纱圈圆周方向上加工有通孔，半筒身模具的筒身内侧对应位置设置螺纹盲孔，通孔内设置有螺栓，通过螺栓与半筒身模具筒身内侧的螺纹盲孔固定连接。

5、一种ⅴ型全复合材料压力容器成型方法，采用ⅴ型全复合材料压力容器成型装置，包括以下步骤：

6、s100：根据压力容器的结构尺寸加工压力容器的半筒身模具和纤维分纱圈，连接半筒身模具与纤维分纱圈；

7、s200：将阀座放置在半筒身模具封头的凹槽内，阀座与纤维分纱圈分别固定在旋转轴上，在半筒身模具表面喷涂脱模剂，通过纤维缠绕设备缠绕复合材料薄层；

8、s300：将半筒身模具与复合材料薄层一同放入固化设备进行复合材料固化；待复合材料固化完成后，取下阀座以及固化好的半筒身复合材料薄层；

9、s400：重复步骤s200、s300，加工另一个半筒身复合材料薄层，在两个半筒身复合材料薄层内壁分别喷涂防腐防渗透涂层；

10、s500：连接两个半筒身复合材料薄层形成全筒身复合材料薄层；

11、s600：对全筒身复合材料薄层进行纤维全缠绕及复合材料固化，最终获得满足要求的全复合材料压力容器。

12、步骤s100中，阀座预留外螺纹与外部保护套连接，外部保护套为橡胶材料。

13、步骤s200中，根据缠绕纤维纱束的宽度选择纤维分纱圈分纱齿的间隔距离，分纱齿的间隔距离等于缠绕纤维纱束的宽度，螺旋缠绕的纤维纱束通过纤维分纱圈分隔；

14、复合材料薄层的缠绕层数通过以下公式计算，

15、

16、式中，为复合材料薄层的缠绕层数，为筒身段螺旋缠绕层厚度，为筒身段环向缠绕层厚度，为螺旋缠绕纤维单层厚度。

17、步骤s300中，复合材料固化完成后阀座与复合材料薄层之间通过树脂连接，在沿半筒身模具与纤维分纱圈的连接凹槽切除纤维分纱圈上多余纤维复合材料，将阀座及半筒身复合材料薄层由筒身到封头方向取出。

18、步骤s500中，首先将两个半筒身复合材料薄层的连接表面打磨成楔形，再采用表面处理剂对半筒身复合材料薄层的连接表面进行处理，最后通过胶接使两个半筒身复合材料薄层连接成全筒身复合材料薄层。

19、步骤s600中，对全筒身复合材料薄层进行纤维全缠绕及复合材料固化之前，首先在全筒身复合材料薄层内加入可充气的弹性材料气囊，并向弹性材料气囊内充入安全气体，使弹性材料气囊作为全筒身复合材料薄层的辅助支撑；

20、在纤维全缠绕过程以及复合材料固化过程中，使弹性材料气囊保持压力，在复合材料固化完成后，对弹性材料气囊抽真空并取出弹性材料气囊。

21、步骤s600中，纤维全缠绕的层数通过以下公式计算:

22、

23、式中，m为螺旋缠绕层数，n为环向缠绕层数，为螺旋缠绕纤维单层厚度，为环向缠绕纤维单层厚度，为筒身段螺旋缠绕层厚度，为筒身段环向缠绕层厚度， r为半筒身模具外轮廓半径，为压力容器设计爆破压强， k为纤维强度利用系数，为纤维拉伸强度，为筒身段螺旋缠绕角，为阀座的圆柱段外轮廓半径。

24、与现有技术相比，本发明提出一种全新的复合材料压力容器成型装置及方法，本发明可制造完全由复合材料加工而成的无内胆压力容器，可减轻压力容器的质量，且不需对模具进行溶解取出，提高成型效率，降低成本，适用于各种直径、长度、封头结构的ⅴ型全复合材料压力容器成型。

技术特征：

1.一种ⅴ型全复合材料压力容器成型装置，其特征在于，包括半筒身模具（1），所述半筒身模具（1）的筒身部分长度为所加工压力容器筒身长度的一半，半筒身模具（1）的封头部分一端留有放置阀座（2）的凹槽，另一端安装纤维分纱圈（3）；半筒身模具（1）与阀座（2）通过花键连接，阀座（2）和纤维分纱圈（3）与纤维缠绕设备的旋转轴（12）通过螺纹连接。

2.根据权利要求1所述的ⅴ型全复合材料压力容器成型装置，其特征在于，所述纤维分纱圈（3）圆周方向上阵列分布有分纱齿（3.1），纤维分纱圈（3）环向固定在半筒身模具（1）内侧，纤维分纱圈（3）轴向加工有螺纹孔与纤维缠绕设备的旋转轴（12）连接。

3.根据权利要求2所述的ⅴ型全复合材料压力容器成型装置，其特征在于，所述纤维分纱圈（3）圆周方向上加工有通孔，半筒身模具（1）的筒身内侧对应位置设置螺纹盲孔，通孔内设置有螺栓，通过螺栓与半筒身模具（1）筒身内侧的螺纹盲孔固定连接。

4.一种ⅴ型全复合材料压力容器成型方法，其特征在于，采用如权利要求1或2或3所述的ⅴ型全复合材料压力容器成型装置，

5.根据权利要求4所述的ⅴ型全复合材料压力容器成型方法，其特征在于，所述步骤s100中，阀座（2）预留外螺纹与外部保护套（11）连接，外部保护套（11）为橡胶材料。

6.根据权利要求4所述的ⅴ型全复合材料压力容器成型方法，其特征在于，所述步骤s200中，

7.根据权利要求4所述的ⅴ型全复合材料压力容器成型方法，其特征在于，所述步骤s300中，复合材料固化完成后阀座（2）与复合材料薄层（4）之间通过树脂连接，在沿半筒身模具（1）与纤维分纱圈（3）的连接凹槽切除纤维分纱圈（3）上多余纤维复合材料（4.2），将阀座（2）及半筒身复合材料薄层（4.1）由筒身到封头方向取出。

8.根据权利要求4所述的ⅴ型全复合材料压力容器成型方法，其特征在于，所述步骤s500中，首先将两个半筒身复合材料薄层（4.1）的连接表面（7）打磨成楔形，再采用表面处理剂对半筒身复合材料薄层（4.1）的连接表面（7）进行处理，最后通过胶接使两个半筒身复合材料薄层（4.1）连接成全筒身复合材料薄层（8）。

9.根据权利要求4所述的ⅴ型全复合材料压力容器成型方法，其特征在于，所述步骤s600中，对全筒身复合材料薄层（8）进行纤维全缠绕及复合材料固化之前，首先在全筒身复合材料薄层（8）内加入可充气的弹性材料气囊（9），并向弹性材料气囊（9）内充入安全气体，使弹性材料气囊（9）作为全筒身复合材料薄层（8）的辅助支撑；

10.根据权利要求4所述的ⅴ型全复合材料压力容器成型方法，其特征在于，所述步骤s600中，纤维全缠绕的层数通过以下公式计算:

技术总结
本发明涉及特种设备加工成型领域，具体涉及一种Ⅴ型全复合材料压力容器成型装置及方法。包括半筒身模具，所述半筒身模具的筒身部分长度为所加工压力容器筒身长度的一半，半筒身模具的封头部分一端留有放置阀座的凹槽，另一端安装纤维分纱圈；半筒身模具与阀座通过花键连接，阀座和纤维分纱圈与纤维缠绕设备的旋转轴通过螺纹连接。本发明可制造完全由复合材料加工而成的无内胆压力容器，可减轻压力容器的质量，且不需对模具进行溶解取出，提高成型效率，降低成本，适用于各种直径、长度、封头结构的Ⅴ型全复合材料压力容器成型。

技术研发人员：宁泽民,梁建国,薛玉钦,贾朝暾,刘江林,段昱杰,李辉,江连运,李治
受保护的技术使用者：太原理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15