CN115447175A - 一种气瓶中复合材料的缠绕张力调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气瓶中复合材料的缠绕张力调节方法。包括以下步骤：首先多个薄膜压力传感器按照预设传感器分布方式被包覆在气瓶中复合材料的缠绕层；接着各个薄膜压力传感器采集压力数据，将相同缠绕角的缠绕层对应的薄膜压力传感器作为一组薄膜压力传感器，接着根据每组薄膜压力传感器采集到压力数据计算与当前组薄膜压力传感器相同缠绕角的其余各层缠绕层所处压力，从而获得气瓶的所有层缠绕层所处压力；最后根据气瓶的所有层缠绕层所处压力，计算气瓶中复合材料的各层缠绕层的剩余张力，进而获得剩余张力曲线，根据剩余张力曲线调节气瓶中复合材料的缠绕张力。本发明的有益效果。

Description

一种气瓶中复合材料的缠绕张力调节方法

技术领域

本发明涉及了压力容器领域的一种缠绕张力调节方法，具体涉及了一种气瓶中复合材料的缠绕张力调节方法。

背景技术

纤维缠绕成型工艺是将浸渍了一定树脂质量分数的高强度纤维，在缠绕张力的作用下，按照程序预先设定的线型和铺层顺序，连续缠绕到芯模或内衬外表面上，然后经过加热固化而制得的过程。缠绕张力可通过改变复合材料纤维体积占比的方式显著影响纤维缠绕制品的强度。

复合材料气瓶最佳成型状态是固化成型后各纤维层环向处于等应力状态，若缠绕张力不同，可能导致纤维内层部分纤维出现层间滑移、褶皱、断裂等现象。

目前较多缠绕张力公式，只考虑了复合材料层外部对内部的挤压作用力，而对于固化后复合材料收缩引起的力考虑较少。复合材料缠绕压力容器固化成型后，剩余张力难以确定。又因为复合材料气瓶纤维缠绕层层层包裹，内部纤维缠绕层难以被测量，或受限于传感器体积大小而导致的测量不精确等原因，剩余张力难以被测量。

发明内容

为了解决背景技术中存在的不足，本发明提供一种气瓶中复合材料的缠绕张力调节方法。

本发明的技术方案如下：

1)多个薄膜压力传感器按照预设传感器分布方式被包覆在气瓶中复合材料的缠绕层，每个薄膜压力传感器与包覆自身的缠绕层对应；

2)各个薄膜压力传感器采集压力数据，将相同缠绕角的缠绕层对应的薄膜压力传感器作为一组薄膜压力传感器，各组薄膜压力传感器中，根据每组薄膜压力传感器采集到压力数据计算与当前组薄膜压力传感器相同缠绕角的其余各层缠绕层所处压力，从而获得气瓶的所有层缠绕层所处压力；

3)根据气瓶的所有层缠绕层所处压力，计算气瓶中复合材料的各层缠绕层的剩余张力，对各层缠绕层的剩余张力进行曲线拟合后，获得剩余张力曲线，根据剩余张力曲线调节气瓶中复合材料的缠绕张力。

所述1)中，多个薄膜压力传感器按照预设传感器分布方式被包覆在气瓶中复合材料的缠绕层，具体为：

同一个缠绕角的缠绕层中，从内到外的第一层和最后一层缠绕层均包覆有对应的薄膜压力传感器，第一层和最后一层缠绕层之间的缠绕层中均匀包覆有薄膜压力传感器，各个薄膜压力传感器的安装高度相同并且在气瓶中的方位角不同。

所述第一层和最后一层缠绕层之间的缠绕层中至少设置有n/5个压力传感器。

所述2)中，对每组薄膜压力传感器采集到压力数据进行曲线拟合，从而获得相同缠绕角的其余各层缠绕层所处压力。

所述3)中，气瓶中复合材料的各层缠绕层的剩余张力的计算公式如下：

其中，T_i表示第i层缠绕层的剩余张力，P_i表示第i层缠绕层所处压力，P_i+1表示第i+1层缠绕层所处压力，Δα为固化度变化率；β为树脂完全固化收缩率；V_r为树脂体积占比；h为单层缠绕层厚度；R_j为内衬的外径，a_i表示第i层缠绕层的缠绕角。

本发明的有益效果为：

本发明通过在复合材料气瓶缠绕过程中适当的布置薄膜压力传感器，尽可能的减小由于薄膜压力传感器厚度导致的复合材料层***而导致的后续缠绕层剩余张力的变化。本发明减少了薄膜压力传感器的个数，提高了缠绕层剩余张力的测量精度，有助于指导复合材料气瓶后续缠绕过程中的缠绕张力设置；有助于探明复合材料气瓶固化后张力的变化机理。

附图说明

图1为压力容器整体布局示意图

图2为压力传感器布局示意图。

图3为本发明的方法流程图。

图中：1、气瓶内衬；2、缠绕角为a₁的缠绕层；3、导线；4、缠绕角为a₂的缠绕层；5、缠绕角为a_k的缠绕层；6、薄膜压力传感器。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明：

如图3所示，本发明包括以下步骤：

1)如图2所示，多个薄膜压力传感器按照预设传感器分布方式被包覆在气瓶中复合材料的缠绕层，每个薄膜压力传感器与包覆自身的缠绕层对应，即每个薄膜压力传感器的压力为包覆自身的缠绕层所处压力；图中缠绕角为a₁的缠绕层2和气瓶内衬1之间设置有薄膜压力传感器6，缠绕角为a₂的缠绕层4、缠绕角为a_k的缠绕层5与对应的前一层缠绕层之间也设置有薄膜压力传感器6，薄膜压力传感器6设置在两层缠绕层之间，薄膜压力传感器6被外层缠绕层包覆。具体实施中，在缠绕薄膜压力传感器外层纤维之前，薄膜压力传感器通过树脂与内层的纤维(或内衬)间形成液桥力，使薄膜压力传感器吸附于气瓶纤维(或内衬)，经下一轮缠绕后，薄膜压力传感器被外层纤维覆盖。导线3连接薄膜压力传感器，并引出至气瓶瓶口。

1)中，多个薄膜压力传感器按照预设传感器分布方式被包覆在气瓶中复合材料的缠绕层，具体为：

如图1所示，同一个缠绕角的缠绕层中，从内到外的第一层和最后一层缠绕层均包覆有对应的薄膜压力传感器，第一层和最后一层缠绕层之间的缠绕层中均匀(即间隔相同层数)包覆有薄膜压力传感器，即径向距离不同，各个薄膜压力传感器的安装高度相同并且在气瓶中的方位角不同。

第一层和最后一层缠绕层之间的缠绕层中至少设置有n/5个压力传感器，薄膜压力传感器的个数四舍五入。例如，缠绕角a的缠绕层共有5层，则在第一层和第5层以及第3层缠绕层均包覆有1个薄膜压力传感器，从而减少薄膜压力传感器的个数，进而节约成本。

2)各个薄膜压力传感器采集压力数据，将相同缠绕角的缠绕层对应的薄膜压力传感器作为一组薄膜压力传感器，各组薄膜压力传感器中，根据每组薄膜压力传感器采集到压力数据计算与当前组薄膜压力传感器相同缠绕角的其余各层缠绕层所处压力，从而获得气瓶的所有层缠绕层所处压力；

2)中，对每组薄膜压力传感器采集到压力数据进行曲线拟合，从而获得相同缠绕角的其余各层缠绕层所处压力。

3)根据气瓶的所有层缠绕层所处压力，计算气瓶中复合材料的各层缠绕层的剩余张力，对各层缠绕层的剩余张力进行曲线拟合后，获得剩余张力曲线，根据剩余张力曲线调节气瓶缠绕时的复合材料缠绕张力。

3)中，气瓶中复合材料的各层缠绕层的剩余张力的计算公式如下：

其中，T_i表示第i层缠绕层的剩余张力，P_i表示第i层缠绕层所处压力，P_i+1表示第i+1层缠绕层所处压力，Δα为固化度变化率；β为树脂完全固化收缩率；V_r为树脂体积占比；h为单层缠绕层厚度；R_j为内衬的外径，a_i表示第i层缠绕层的缠绕角。

具体实施中，如果气瓶需要为最佳成型状态，通过计算公式实际求得的剩余张力T_i、气瓶需设计的等剩余张力为T_c，则在原有缠绕张力的基础上进行缠绕张力补偿，补偿缠绕张力T_b的公式满足

如果气瓶需要为其他情况，则根据实际情况进行补偿。

Claims (5)

1.一种气瓶中复合材料的缠绕张力调节方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)多个薄膜压力传感器按照预设传感器分布方式被包覆在气瓶中复合材料的缠绕层，每个薄膜压力传感器与包覆自身的缠绕层对应；

2)各个薄膜压力传感器采集压力数据，将相同缠绕角的缠绕层对应的薄膜压力传感器作为一组薄膜压力传感器，各组薄膜压力传感器中，根据每组薄膜压力传感器采集到压力数据计算与当前组薄膜压力传感器相同缠绕角的其余各层缠绕层所处压力，从而获得气瓶的所有层缠绕层所处压力；

3)根据气瓶的所有层缠绕层所处压力，计算气瓶中复合材料的各层缠绕层的剩余张力，对各层缠绕层的剩余张力进行曲线拟合后，获得剩余张力曲线，根据剩余张力曲线调节气瓶中复合材料的缠绕张力。

2.根据权利要求1所述的一种气瓶中复合材料的缠绕张力调节方法，其特征在于，所述1)中，多个薄膜压力传感器按照预设传感器分布方式被包覆在气瓶中复合材料的缠绕层，具体为：

同一个缠绕角的缠绕层中，从内到外的第一层和最后一层缠绕层均包覆有对应的薄膜压力传感器，第一层和最后一层缠绕层之间的缠绕层中均匀包覆有薄膜压力传感器，各个薄膜压力传感器的安装高度相同并且在气瓶中的方位角不同。

3.根据权利要求2所述的一种气瓶中复合材料的缠绕张力调节方法，其特征在于，所述第一层和最后一层缠绕层之间的缠绕层中至少设置有n/5个压力传感器。

4.根据权利要求2所述的一种气瓶中复合材料的缠绕张力调节方法，其特征在于，所述2)中，对每组薄膜压力传感器采集到压力数据进行曲线拟合，从而获得相同缠绕角的其余各层缠绕层所处压力。

5.根据权利要求2所述的一种气瓶中复合材料的缠绕张力调节方法，其特征在于，所述3)中，气瓶中复合材料的各层缠绕层的剩余张力的计算公式如下：

其中，T_i表示第i层缠绕层的剩余张力，P_i表示第i层缠绕层所处压力，P_i+1表示第i+1层缠绕层所处压力，Δα为固化度变化率；β为树脂完全固化收缩率；V_r为树脂体积占比；h为单层缠绕层厚度；R_j为内衬的外径，a_i表示第i层缠绕层的缠绕角。

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