一种高压气瓶壁厚参数设计方法及成型方法与流程

本发明涉及一种高压气瓶壁厚参数设计方法及成型方法。

背景技术：

目前，市场上使用的高压气瓶主要采用焊接成型技术和碳纤维复合缠绕技术制造而成。焊接成型技术是将所要制造的高压气瓶拆分成几个主要的零部件机加而成后，再采用焊接的方式将这些零部件连接在一起制成高压气瓶。这种方式一方面整个加工生产过程周期长，加工制造过程中还伴随着严重的材料浪费；另一方面，焊接技术作为一种特殊的加工方式控制困难，而且焊缝四周与基体的交接处会造成应力集中，造成整个焊接部位处承压能力低于基体的承压能力，在一定程度上限制了压力容器专业技术的提升。碳纤维复合缠绕技术是先根据不同的直径和高度拉伸出气瓶内胆，再在气瓶内胆上缠绕碳纤维对其进行强度加强，这种复合材料气瓶克服了焊接成型气瓶的承压能力不均的缺点，而且质量轻、承载能力强、抗爆性能好、化学性能稳定。但这种气瓶相对于金属气瓶来说，其构型简单、制造工艺复杂、易屈曲失稳、缠绕张力影响综合性能且难控制、抗冲击力学性能差、缠绕层表层易产生缺陷等缺点在一定程度上制约了复合材料气瓶在武器装备上的应用。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种采用激光选区熔化成型设备的、制造过程简单快速、承压能力强的高压气瓶的成型方法；本发明的目的还在于提供一种适用于激光选区熔化成型设备制造的高压气瓶的壁厚参数的设计方法。

为实现上述目的，本发明一种高压气瓶成型方法的技术方案是：1)按照公式计算设计压力下高压气瓶的球形段、圆柱形、锥形段的各段所需的壁厚参数，根据该壁厚参数采用激光选区熔化成型法制造瓶体；

δ：设计壁厚，即能承受设计压力的壁厚最小值；

n：安全系数，为设计参数，来源于使用需求，如专业的标准规范和适航条款等；

p：设计工作压力；

D：计算承压截面直径，是在计算时根据具体结构设定的参数，球形结构中D是指球的内腔直径，圆柱形结构中D是指圆柱体内腔的回转直径，圆锥体结构中D是指圆锥体内腔的锥底直径；

σ：材料许用应力；

K：3D打印系数，3D打印系数K的最终取值在0.5～2.5之间；

对于球形结构

对于圆柱形结构

对于圆锥形结构r表示圆锥体内腔锥顶直径；

2)根据步骤1)获得的各段的设计壁厚参数δ，用三维造型软件设计出高压气瓶的三维实体模型，再通过切片软件对该三维模型进行切片分层，得到各截面的轮廓数据，由激光选区熔化成型设备根据轮廓数据进行瓶体成型获得瓶体；

3)对步骤2)成型后的瓶体进行的后续精加工处理。

作为本发明的进一步改进：所述激光选区熔化成型设备在对瓶体进行快速激光成型时，瓶体的瓶口尺寸在成型时留有余量，方便后续的螺纹等特征的机械加工。

作为本发明的进一步改进：所述瓶体在进行快速激光成型时，在瓶体的底部添加有支撑，可以减小后续工序中支撑的去除难度，也有助于节约成本。

为实现上述目的，本发明一种高压气瓶壁厚参数设计方法的技术方案是：按照公式计算设计压力下高压气瓶的球形段、圆柱形、锥形段的各段的壁厚参数；

δ：设计壁厚，即能承受设计压力的壁厚最小值；

n：安全系数，为设计参数，来源于使用需求，如专业的标准规范和适航条款等；

p：设计工作压力；

D：计算承压截面直径，是在计算时根据具体结构设定的参数，球形结构中D是指球的内腔直径，圆柱形结构中D是指圆柱体内腔的回转直径，圆锥体结构中D是指圆锥体内腔的锥底直径；

σ：材料许用应力；

K：3D打印系数，3D打印系数K的最终取值在0.5～2.5之间；

对于球形结构

对于圆柱形结构

对于圆锥形结构r表示圆锥体内腔锥顶直径。

本发明的有益效果是：本发明采用激光选区熔化成型技术制造瓶体，瓶体可以采用不锈钢、钛合金材料，整个瓶体一体成型，材料利用率高，生产速度快，可远程输入、可实现0～70MPa工作压力薄壁高压气瓶的成型加工。且经爆裂实验测试，该高压气瓶的爆破口为撕裂状，不会产生碎片伤人。这种高压气瓶生产方法可以实现远程定制、异地设计、就地生产和销售的协调化新型生产模式，使生产模式、商业模式等多个方面发生根本性的变化。

进一步的，后续还采用一系列的精加工处理，保证高压气瓶的制造质量。

进一步的，所述高压气瓶在进行激光成形时，在气瓶的底部添加有支撑，可直接在支撑上进行气瓶的激光成形，不需要再额外的铸造支撑部位，这样可以减小后续工序中支撑的去除难度，也有助于节约成本。

附图说明

图1为具体实施例中高压气瓶成型方法的流程框图；

图2为具体实施例中高压气瓶成型实物示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。

本发明的一种高压气瓶成型方法的具体实施例，如图1至图2所示，包括以下步骤：

首先按照公式①计算设计压力下高压气瓶的球形段、圆柱形、锥形段的各段所需的壁厚参数；

其中：

δ：设计壁厚，即能承受设计压力的壁厚最小值。

n：安全系数，为设计参数，来源于使用需求，如专业的标准规范和适航条款等。

p：设计工作压力。

D：计算承压截面直径，是在计算时根据具体结构设定的参数，球形结构中D是指球的内腔直径，圆柱形结构中D是指圆柱体内腔的回转直径，圆锥体结构中D是指圆锥体内腔的锥底直径。

σ：材料许用应力。

K：3D打印系数，在本高压气瓶铸造成型过程中，主要涉及球形、圆柱形和圆锥形的3D打印系数，考虑到激光选区熔化技术的特性要求，如大于45度斜面结构的激光选取熔化基本不可实现或者成本较高，所以根据工程经验设置了形状参数，并将其赋值于3D打印系数中；此外，该公式也考虑到了金属粉末的热熔，激光选区熔化技术不同于传统的铸造，其特点要求在结构设计计算时需充分考虑不同材料，不同结构的热量对材料的综合影响，所以根据工程经验将金属热熔的影响也赋值于3D打印系数中，3D打印系数K的最终取值在0.5～2.5之间。经过理论和工程试验数据推导出的关于K值的经验公式如下：

对于球形结构

对于圆柱形结构

对于圆锥形结构r表示圆锥体内腔锥顶直径。

根据上述公式计算出在设计压力下高压气瓶各段所需要的设计壁厚参数δ，然后根据设计壁厚在计算机上利用pro/e、UG、CATIA等三维造型软件设计出高压气瓶的三维实体模型，在其他实施例中也可以采用其他三维软件进行高压气瓶的三维模型设计。再通过切片软件对该三维模型进行切片分层，得到各截面的轮廓数据，将得到的轮廓数据导入到激光选区熔化成型设备中，由轮廓数据生成填充扫描路径，设备将按照这些填充扫描线，控制激光束选区熔化各层的金属粉末材料，逐步堆叠成三维立体的高压气瓶瓶体，具体过程如下：激光束开始扫描前，铺粉装置先把金属粉末平推到成型缸的基板上，激光束再按当前层的填充轮廓线选区熔化基板上的粉末，加工出当前层，然后成型缸下降一个层厚的距离，粉料缸上升一定厚度的距离，铺粉装置再在已加工好的当前层上铺好金属粉末。设备调入下一层轮廓的数据进行加工，如此层层加工，直到整个瓶体加工完毕，整个瓶体的激光成形增高方向是由下至上的，如图2中箭头的方向，从半球结构向锥面结构生长。整个加工过程在真空室中进行，以避免金属在高温下与其他气体发生反应。

在其他实施例中，也可以不在计算机上进行高压气瓶的结构设计，如果激光选区熔化成型设备自身带有计算系统，可以直接将高压气瓶的壁厚参数输入激光选区熔化成型设备，进行瓶体成型。

瓶体生产完成后，采用现有的常规技术再对瓶体进行后续的精加工处理，提高瓶体的质量和加工精度。其过程主要包括对瓶体进行去应力热处理、螺纹等特征的机械加工、显微组织的理化检测、真空时效处理、内外表面处理、整体无损检测，最后按照设计输入进行最终检测。在其他实施例中，也可以采用其他方式对瓶体进行精加工处理。

在上述过程中，在瓶体的激光成型过程中，在瓶体底部添加支撑，减小后续工序中支撑的去除难度，也有助于节约成本。其次，因为高压气瓶的生产综合了激光选区熔化成型技术和后续的精加工技术，激光选区熔化成型技术在进行瓶体的成型时，瓶口的尺寸留有余量，用来设置瓶口螺纹，瓶口螺纹用后续的机械加工设置，保证瓶口螺纹的精度。

最后，对制造成型的高压气瓶进行性能检验，本实施例中一共进行了设计压力为20MPa和70MPa的高压气瓶的铸造成型和其后的性能检验实验，铸造时使用的材料均为TC4钛合金材料，其实验数据如下表所示：

由表中实验数据可以看出，根据公式①得出的设计壁厚制造的高压气瓶不仅可以满足设计压力的需求，而且可以承受高于设计压力的工作压力。此外，在爆裂实验时，高压气瓶的爆破口为撕裂状，不会产生碎片伤人。

综上所述，用激光选区熔化成型技术和后续精加工技术综合制造的高压气瓶，瓶体可以采用不锈钢、钛合金材料，整个瓶体一体成型，生产速度快，材料利用率高，可远程输入、可实现0～70MPa工作压力薄壁高压气瓶的成型加工，且高压气瓶的爆破口为撕裂状，不会产生碎片伤人。而且后续采用精加工技术对瓶体进行精加工处理，保证高压气瓶的制造质量。

这种高压气瓶生产方法不仅生产的高压气瓶质量高，而且生产速度快，生产规模小，可以实现远程定制、异地设计、就地生产和销售的协调化新型生产模式，使生产模式、商业模式等多个方面发生根本性的变化。

本发明一种高压气瓶壁厚参数的设计方法的具体实施例与上述一种高压气瓶成型方法中壁厚参数的设计方法一致，此处不再赘述。