复合材料压力容器的性能分析

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复合材料压力容器充气温度效应分析

得复杂，从而增加了整个充气系统和气罐本身的成本；第二，压力太大导致安全性差。在给压力容器充
（１）试验对象为某型号大容积高压压力容器。充压前在复合缠绕压力容器筒身及接头部位用彩笔做好测试标记，该标记即为温度测点。简身处标记分别在距瓶口端面５００ｍｍ、１６００ｍｍ和２６００ａｒｍ处；（２）安装并连接好充气管路，试充气运转一次体温度会有显著升高，这种温升效应对于压力容器材料的力学性能具有重要的影响。鉴于高压储气方式的诸多缺点，人们开始展开了对于压力容器温升效应问题的研究。文献［３，４］研究了有刚性高压容器向低压空间自由放气或由恒压气源向低压刚性容器充气的一般过程；刘吴等对气动汽车快速加气站的加气过程进行了研究；安刚等对车载储氢气瓶快速充气进行了试验和理论分析，得出了
的温度效应。
关键词：复合材料压力容器；充气；压力稳定时间；温度稳定时间中图分类号：ＴＢ３３２；ＴＢ６６４文献标识码：Ａ文章编号：１００３— ０９９９（２０１４）０１ — ００４０— ０３
随着工业水平和社会经济的不断发展，复合材料缠绕压力容器得到越来越广泛的应用。为了提高气体储存的密度，即提高气体单位体积和单位质量
并用１００％肥皂液检查各个接头部位，应无渗漏；（３）查看并记录初始室温、初始压力容器表面

复合材料压力容器及其相关问题研究

技术。这种采用这种轻质高强的新型复合材料来研制抗爆容器已在众多领域中逐步取代金属压力容器．国防高科技与民用领域得到了广泛在
应用。
【关键词】力容器；合材料；计理论；度；压复设强刚度；久性；护层；全性；密性耐保安气
形状的芯模（内衬）缠绕固化而成。于其具有比强度高、或上由比模量大、实现等强度设计、疲劳性能好、可抗耐腐蚀等优异性能以及便于大尺寸整体成型的特点。上世纪七十年代起，了最大限度地减轻压力容器重量，技人员研发了由内衬与外缠绕复合材料增强层的复合压力容器从为科
优良性能，相同容积和压力条件下，合压力容器比钢质压力容器在复的重量可减轻１３２３／～／；同时复合材料在受到撞击或高速冲击发生破
３．螺旋缠绕３螺旋缠绕也称测地线缠绕。缠绕时芯模绕自轴匀速转动，丝头导
Ｏ引言
纤维增强聚合物基复合材料（Ｒ，括ＦＰ压力容器独具下ＦＰ）包ＷＲ列特点：Ｒ由纤维（强相）聚合物（体相）成，ＦＰ增和基组复合材料性能离散性大；向异性；Ｒ各ＦＰ与制品同时生成（ＷＲＦＰ压力容器缠绕成型

复合材料压力容器设计

复合材料压力容器设计复合材料压力容器设计一、引言复合材料压力容器是一种由多种材料通过一定的工艺方法组合而成的容器，具有优异的性能特点，如轻质高强、耐腐蚀、抗氧化、抗疲劳等。

随着科学技术的不断发展，复合材料压力容器在石油、化工、航空航天等领域得到了广泛应用。

本篇文章将从材料选择、结构设计、制造工艺和质量控制等方面，探讨复合材料压力容器的设计要点。

二、材料选择复合材料压力容器的设计首先需要选择合适的材料。

常见的复合材料有玻璃纤维增强塑料（GFRP）、碳纤维增强塑料（CFRP）、芳纶纤维增强塑料（AFRP）等。

这些材料具有不同的性能特点，需要根据具体的使用环境和要求进行选择。

例如，在石油化工领域，由于介质具有腐蚀性和氧化性，因此需要选择耐腐蚀、抗氧化的复合材料；而在航空航天领域，由于容器需要承受极高的压力和温度，因此需要选择高强度的复合材料。

三、结构设计结构设计是复合材料压力容器设计的核心环节。

结构设计需要考虑容器的结构形式、壁厚、加强结构等因素。

常见的结构形式有筒形、球形、锥形等，需要根据实际需要进行选择。

壁厚的设计需要考虑材料的力学性能和容器的使用条件，确保容器的安全性和稳定性。

加强结构的设计可以提高容器的承载能力和刚度，常见的加强结构有环向加强筋、纵向加强筋、内外加强层等。

四、制造工艺复合材料压力容器的制造工艺主要包括材料准备、成型工艺、固化工艺、机械加工等环节。

材料准备包括将增强纤维和基体树脂按照一定比例混合均匀，制成预浸料或纤维布。

成型工艺是将预浸料或纤维布按照设计要求的形状和尺寸铺设在模具上，通过加热或加压等方法使其成型。

固化工艺是将成型的复合材料在一定温度和时间下进行固化，使其具有一定的强度和刚度。

机械加工是对成型的复合材料进行切割、钻孔、铣削等加工，以满足设计要求的尺寸和形状。

五、质量控制质量控制是复合材料压力容器设计的重要环节之一。

质量控制需要考虑材料的质量、结构设计的合理性、制造工艺的可靠性等因素。

国内外空间复合材料压力容器研究进展及发展趋势分析(二)

ＴｈｅＲｅｉｗｆＷｏｌ — ｗｉｅＳｃｙｔｍｍｐｓｔｅｓｅＶｅｓｌｖｅｏｒｄｄｐａｅＳｓｅＣｏｏｉｅＰｒｓｕｒｓｅ
ａｄｔｅＤｖｌｐｎｒｎａｙｉ（）ｎｈｅｅｏｍｅｔＴｅｄＡｎｌｓｓ２
ＡｂｓｒｃＴｔｄｖｌｐｍｅｔｏｖｒｅｓｃｍｐｓｔｖｒ— ｗｒｐｅｅｓｒｅｓｌｕｓｄｉｐａｅｓｓ・ｔａｔ：ｈｅｓｕｙｄｅｅｏｎｆｏｅｓａｏｏｉｏｅ－ａｐｄｐｒｓｕｅｖｓｅｅｎｓｃｙ・ｅｔｎｓｒｖｅｄ，ｎｔｄｅｕｆｃｍｐｓｔｖｒ—ｗｒｐｄｐｅｓｒｅｓｌｆｒｏｒｃｕｔｙｗａｕｅｗａｅｉｗｅａｄｓｕｙｒｓｈｏｏｏｉｏｅｅａｐｅｒｓｕｅｖｓｅｏｕｏｎｒｓｓｍ—

ｍａｉｅ．ｈｅｅｏｍｅｔｒｎｎｌｓｆｃｍｐｓｅｏｅ－ｒｐｅｒｓｕｅｖｓｅｓｄｉｐｃｙ－ｒｄ＂ｅｄｖｌｐｎｅｄａａｙｉｏｏｏｉｖｒ— ｗａｐｄｐｅｓｒｅｓｌｕｅｎｓａｅｓｓｚＴｔｓｔ－ｔｍｒｏｒｃｕｔａｎｓｅｎｔｒｆｏｅｓａｅｅｏｍｅｔｉａｉｎｅｆｕｏｎｒｗｓｆｉｈｄｉｅｍｓｏｖｒｅｓｄｖｌｐｎｔｔ．ｏｙｉｓｕｏＫｅｒｓｃｍｐｓｔｏｅｙｗｏｄ：ｏｏｉｖｒ—ｗａｐｄｐｅｓｒｅｓｌｓｄｅｅｏｍｅｔｄｖｌｐｎｒｎｓａｅｓｓｅｒｐｅｒｓｕｅｖｓｅ；ｔｙｄｖｌｐｎ；ｅｅｏｍｅｔｔｄ；ｐｃｙ－ｕｅ

复合材料压力容器

复合材料压力容器
复合材料压力容器是一种应用广泛的高性能容器，它由多种不同材料的复合层构成，能够承受高压力和各种环境条件下的工作。

复合材料压力容器具有重量轻、强度高、耐腐蚀、耐磨损等优点，因此在航空航天、船舶、化工、军工等领域得到了广泛的应用。

首先，复合材料压力容器的制造材料主要包括碳纤维、玻璃纤维、环氧树脂、聚酯树脂等。

这些材料具有优良的机械性能和化学性能，能够满足不同工作条件下的需求。

与传统的金属材料相比，复合材料具有更高的比强度和比刚度，能够在保证强度的前提下减轻结构重量，提高了整体性能。

其次，复合材料压力容器的制造工艺主要包括预制、成型、固化、表面处理等步骤。

在制造过程中，需要严格控制各个工艺环节，确保复合材料的性能稳定和一致性。

同时，还需要进行严格的质量检验和控制，确保产品的质量达到设计要求。

另外，复合材料压力容器的应用领域非常广泛。

在航空航天领域，复合材料压力容器被广泛应用于航天器、卫星、导弹等载荷舱体和燃料箱体中，能够减轻结构重量，提高载荷能力。

在船舶领域，复合材料压力容器被应用于船体结构、储罐、管道等部位，能够提高船舶的载重能力和航行速度。

在化工领域，复合材料压力容器被应用于化工设备、储罐、反应釜等部位，能够提高设备的耐腐蚀性能和使用寿命。

总的来说，复合材料压力容器具有重量轻、强度高、耐腐蚀、耐磨损等优点，能够满足不同领域的工程需求。

随着科学技术的不断进步和应用需求的不断增加，复合材料压力容器将会得到更广泛的应用和发展。

氢气在复合材料中的储存性能研究

氢气在复合材料中的储存性能研究氢气作为一种清洁能源备受关注，然而其高压储存存在着安全隐患和能量密度不高的问题。

因此，研究氢气在复合材料中的储存性能具有重要意义。

一、复合材料在氢气储存中的应用复合材料由两种或更多种材料组合而成，具有较高的强度和刚度。

因此，将氢气储存系统与复合材料相结合，可以提高氢气储存的安全性和效率。

目前，很多研究表明，复合材料在氢气储存中发挥着重要作用。

1.1 复合材料的选择在选择复合材料时，需要考虑其耐压性能、密封性能和热稳定性等因素。

常见的复合材料包括碳纤维增强复合材料、玻璃纤维增强复合材料和聚合物基复合材料等。

这些复合材料都具有较高的强度和耐腐蚀性，适合用于氢气储存系统。

1.2 复合材料的优势与传统的金属材料相比，复合材料具有更轻、更坚固、更耐腐蚀等优点。

在氢气储存系统中，使用复合材料可以减轻整体重量，提高系统的耐压性能和密封性能，从而提高氢气的储存效率。

1.3 复合材料的挑战虽然复合材料在氢气储存中具有潜力，但也面临着一些挑战。

例如，复合材料的制造成本较高，且在高温下容易发生脆化现象。

因此，如何降低制造成本、提高耐高温性能是目前研究的重点。

二、复合材料在氢气储存中的性能研究针对复合材料在氢气储存中的性能，研究者进行了大量的实验和模拟分析。

他们主要从以下几个方面展开研究：2.1 压力容器的性能压力容器是氢气储存系统的核心组成部分，其性能直接影响着氢气的储存效率和安全性。

研究者通过实验和模拟分析，探讨了不同复合材料在压力容器中的性能表现，为氢气储存系统的设计提供了参考依据。

2.2 密封性能的研究氢气是一种极易泄漏的气体，而氢气泄漏会导致爆炸等严重后果。

因此，提高氢气储存系统的密封性能至关重要。

研究者通过实验和模拟，研究了复合材料的密封性能，探讨了不同密封结构对氢气泄漏的影响，为系统的改进提供了思路。

2.3 热稳定性的研究在氢气储存过程中，容器会受到来自氢气的高温影响。

因此，复合材料的热稳定性也是研究的焦点之一。

不锈钢复合板压力容器的热处理

不锈钢复合板压力容器的热处理摘要：不锈钢复合板有着十分优良的经济性，因此在当前的压力容器制造过程中得到日益广泛的应用，不锈钢耐腐蚀层呈现出特别良好的耐腐蚀性能，不锈钢基层可选择强度更高的钢质底板，使钢板厚度有效减少，进一步降低不锈钢制作过程中的制造难度和成本。

需要注意的是，在焊接之后，要着重做好热处理工作，这样才能使其性能进一步优化。

基于此，下文重点探讨和分析不锈钢复合板压力容器的热处理技术等相关内容。

关键词：不锈钢复合板；压力容器；热处理引言在不锈钢结构中复合板是两种材料的复合，两种材料所涉及的成分在物理和化学性质方面有一定的差异，所以复合压力容器制造过程中要着重做好每一个步骤，这是至关重要的。

其中，热处理技术应用是特别关键的内容，在实际的操作过程中，主要是应用相对应的介质，把压力容器的复合材料加热到冷却，通过这样的处理，进一步有效改变压力容器材料的化学成分和金相组织中的不稳定因素，以此使材料的金属性能进一步改进，使其最优化，进一步提升整体压力容器的安全性能。

1不锈钢复合板压力容器的热处理技术综述热处理主要指的是把固态金属及其合金（钢及其合金）结合相应的要求对其展开加热、保温和冷却，通过这样的方式，对其内部组织进行有针对性的改变，从而有效实现既定要求的性能的工艺过程，其中，在具体的操作中，对热处理造成影响的因素包括温度和时间等。

在温度的变化下，不锈钢在固体状态下能够发生相对应的相变。

针对此类压力容器进行处理的过程中，所涉及的热处理技术，主要包括三个阶段，分别是，加热，保温，冷却。

这三个阶段既是互相独立，又是互相配合，有效统一的。

2不锈钢复合板压力容器的热处理不同阶段具体来说，相关阶段主要体现在以下内容：2.1加热阶段在热处理技术中，这是特别重要的阶段，同时也是关键所在，和能否完成相对应的加热目标，有着至关重要的紧密联系。

在实际的操作过程中，要设置相对应的加温温度系数，在热处理技术的发展过程中，最开始是煤和木炭加热，然后用气体液体燃料或电进行加热当前有效应用熔融金属的加热处理，为了使热处理质量和效果得到更有效的加强，呈现出更加良好的加热效果，要针对加热温度进行有效控制。

复合材料压力容器的研究与制备

第1期纤维复合材料㊀No.1㊀952024年3月FIBER ㊀COMPOSITES ㊀Mar.2024复合材料压力容器的研究与制备吴伟萍,于柏峰,赵㊀亮,周晏云(哈尔滨玻璃钢研究院有限公司,哈尔滨150028)摘㊀要㊀本文介绍了复合材料压力容器的研究进展,分析了影响压力容器设计的主要参数,根据网格理论,结合缠绕角和铺层顺序的优化,设计制备了国产碳纤维复合材料压力容器㊂试验结果表明,压力容器设计满足技术要求,国产碳纤维在CFRP 压力容器上的应用是可行的㊂关键词㊀复合材料压力容器;国产碳纤维;湿法缠绕Research Progress and Preparation ofComposite Pressure VesselWU Weiping,YU Baifeng,ZHAO Liang,ZHOU Yanyun(Harbin FRP Institute Co.,Ltd.,Harbin 150028)ABSTRACT ㊀In this paper,the research progress of composite pressure vessel is introduced,and the main parameters af-fecting the design of pressure vessel are analyzed.According to the grid theory,combined with the optimization of winding angle and lamination order,a domestic carbon fiber composite pressure vessel is designed and manufactured.The test re-sults show that the design of pressure vessel meets the technical requirements and the application of domestic carbon fiber in CFRP pressure vessel is feasible.KEYWORDS ㊀composite pressure structure;domestic carbon fiber;wet winding通讯作者:吴伟萍,女,硕士,教授级高工㊂研究方向为复合材料成型工艺㊂E -mail:pingfrp@1㊀引言近年来,碳纤维作为一种高性能的材料,正以惊人的速度渗透到风电㊁航空航天㊁汽车工业㊁建筑行业等领域,被誉为21世纪的新材料之王㊂碳纤维的比重不到钢的四分之一,其增强复合材料的抗拉强度比钢高7~9倍,力学性能优异[1]㊂由碳纤维和树脂基体结合形成的碳纤维增强复合材料(CFRP)具有高比强度㊁比模量㊁质量轻㊁耐腐蚀性好等优良性能[2],是一种轻质高强的结构部件,广泛应用于交通运输㊁航天航空以及国防军工等领域㊂近年来,在可持续发展政策的提出和现阶段能源危机的背景下,低碳环保的理念逐渐深入人心㊂Atilhan 等[3]认为绿色氢气是航运业一种很有前景的能源替代品,而氢气一般采用高压储运,其主要储运设备为压力容器[4]㊂CFRP 压力容器以轻量化㊁耐疲劳㊁耐腐蚀㊁强度高等优点,大量应用在储气㊁储能装置领域㊂与传统的全金属压力容器相比,CFRP 压力容器可设计性强的同时,质量更轻㊁承载力更强,能够使用自动化纤维缠绕设备实现批纤维复合材料2024年㊀量生产㊂目前,航天航空领域中,航天飞船及其系统的各种复合材料压力容器已成为火箭发动机的液体储存装置和空间站宇航员的生命保证气体供应系统㊂民用领域中,上世纪90年代以来,复合材料压力容器已逐步成为民用压力容器的主流产品,在加氢站已广泛利用复合材料压力容器进行高压储氢[5]㊂在双碳政策驱动下,压力容器市场增长迅速,东丽预测到2025年该领域碳纤维需求量将突破2万吨,到2030年,全球压力容器需求将超过8万吨,增长趋势强劲㊂纤维缠绕的研究起源于国外,复合材料压力容器的生产原材料碳纤维主要来自国外进口㊂国际上碳纤维的生产起步于20世纪60年代,经过五十余年的发展,生产工艺技术已经成熟㊂日㊁美等少数发达国家掌握了世界碳纤维的核心生产技术,尤其是新近开发的先进技术主要掌握在日本东丽㊁东邦帝人㊁三菱丽阳三大碳纤维生产企业中㊂近年来,受下游需求拉动,以及2018年以来中美贸易摩擦㊁科技战㊁新冠疫情㊁俄乌冲突带来的全球供应链危机的影响,我国不断打破国外技术垄断,涌现了吉林化纤㊁中复神鹰㊁宝旌㊁新创碳谷㊁恒神㊁光威复材等碳纤维生产企业,碳纤维产能规模不断扩张,碳纤维市场国产替代趋势明显㊂本文介绍了碳纤维复合材料压力容器的研究进展和特点,研究了复合材料压力容器极限承载能力,根据网格理论,结合缠绕角和铺层顺序的优化,设计制备了国产碳纤维复合材料压力容器,试验结果表明,压力容器设计满足技术要求,国产碳纤维在CFRP压力容器上的应用是可行的㊂2㊀复合材料压力容器研究进展CFRP压力容器主要通过纤维的缠绕工艺在内衬外表面缠绕碳纤维丝束带,碳纤维复合材料层主要起承载作用[6],内衬起到防止泄漏和腐蚀的作用,最后利用热成型工艺形成一种高强度的薄壁容器㊂压力容器根据材料和结构分为四种:以碳素钢和合金钢为主要材料的全金属结构Ⅰ型压力容器[7];由金属内胆和环向缠绕纤维层组成的Ⅱ型压力容器[8];由金属内胆和外部全缠绕碳纤维层构成的Ⅲ型压力容器[9]和由非金属内衬和外部全缠绕碳纤维层构成的Ⅳ型压力容器[10]㊂复合材料压力容器大多为Ⅲ型㊁Ⅳ型,而非金属内衬的质量更轻,且耐腐蚀㊁抗疲劳性能更好,多以橡胶㊁高密度聚氯乙烯及复合材料为内衬㊂复合材料压力容器的成型制备研究㊁结构设计和纤维缠绕工艺研究是国内外学者共同关注的焦点㊂Zhengyun Hu[11]研究了不同铺层设计对爆破压力的影响,结果表明,数值模拟结果与实验结果之间的误差在10%以内,纤维缠绕铺层因素占影响爆破压力比重的15%;同时,环向缠绕层和螺旋缠绕层分离的纤维铺层模型可以提高爆破压力,螺旋缠绕层缠绕角从大到小分布也可以提高压力容器整体的爆破压力㊂Azeem等[12]对纤维缠绕技术在复合材料压力容器上的应用和面临的挑战等进行了评析,指出在设计和制造纤维缠绕结构时,了解各种工艺参数和它们的综合效应是非常重要的㊂Pranjali Sharma[13]研究了Ⅲ型复合材料压力容器,使用ANSYS软件进行仿真,通过试验测试类似的模型来验证压力容器由于爆裂而失效㊂Magneville[14]等人提出了用于模拟储罐爆破行为的复合材料的热力学行为定律,研究了70MPa高压IV型储氢容器的模拟和爆破实验㊂Roh[15]等人针对Ⅳ型复合材料压力容器进行了封头补强设计,得出该技术可以使复合材料缠绕层的质量为补强前质量的90%,使螺旋缠绕层层数明显减少㊂Son D S[16]等人通过理论及有限元研究,确定自紧力可以调节复合材料储气瓶整体结构的应力分布㊂Lei Zu[17]以非测地线绕线初始绕线角度和滑动系数为变量,研究了不同曲率半径下非测地线缠绕结构对环形结构性能的影响㊂Zu 等[18]对不同切点的非测地线缠绕方法进行模拟,确定合适的切点,缠绕示意如图1所示,再利用三次样条函数精确地预测了球壳的厚度分布㊂图1㊀切点数n分别为5㊁6㊁13的非测地线缠绕模式王迪[19]等人研究了螺旋缠绕纤维在头部极端孔的边缘的堆叠问题,通过对极值抽取方法与带宽扩孔法的对比,得出了在两种不同扩孔方式下,纤维缠绕层的厚度在纵向上的分布规律㊂通过有限元分析得到最佳的扩孔方案是为扩大一个带宽加一个半带宽,该方案使纤维层厚度的极值降低了69㊀1期复合材料压力容器的研究与制备31.5%㊂柴森[20]等人通过施加自紧力,可以降低内衬应力最大值,同时可以提高复合材料纤维铺层的利用率㊂陈汝训[21]优化了网格理论设计方法,结果表明适当增加圆柱缠绕角度可以增强密封段的结构,降低压力容器的质量增加量,并统筹容器爆破强度与封头段增强,保证气瓶的爆破模式处于安全模式㊂陈旦[22]通过Python语言编程完成纤维缠绕模型的参数化建模,采用truss单元模拟缠绕层㊁纤维逐层建模㊁层间接触分析等技术,证实了干纱建模方法的可行性与准确性㊂3㊀复合材料压力容器设计流程复合材料压力容器是一种高强度薄壁容器,承受的内压由内衬传递到缠绕层,内衬起储存㊁阻隔和防止气体渗漏的作用,缠绕层起承受绝大部分荷载的作用㊂内衬设计与复合材料结构层设计是复合材料压力容器结构设计的两个主要部分㊂内衬部分的设计有封头段结构和金属接口两部分,复合材料层的设计有纤维层厚度㊁纤维缠绕角度和铺层顺序等[23],设计流程如图2所示㊂图2㊀复合材料压力容器结构设计流程4㊀复合材料压力容器湿法缠绕成型工艺㊀㊀纤维缠绕是制造复合材料部件最先进㊁自动化程度较高的方法之一[24]㊂Hopmann[25]等认为湿法缠绕工艺是制造压力容器最常用的方法,湿法缠绕工艺根据芯模的形状和产品设计要求,采用环向加螺旋缠绕混合的缠绕方式来制备压力容器㊂湿法缠绕工艺本质上可以概括为3个步骤[26]:提供具有规定张力的连续纤维粗纱或布带,用规定量的低黏性树脂浸渍纤维;在芯模或内衬上按照一定线型规律进行缠绕;缠绕完成后在常温或高温下进行固化成型[27],传统湿法缠绕工艺示意如图3所示㊂A纤维筒子架;B牵拉系统;C张力控制辊;D导向辊;E带刮刀的胶辊;F浸胶槽;G浸渍纤维束;H横移导轨;I丝嘴;J旋转芯模或内衬图3㊀传统湿法缠绕工艺示意图在成型工艺上,主要参数有纤维浸胶量㊁缠绕张力㊁缠绕速度和线型选择等,对每种工艺参数合理设置才能得到符合要求的纤维缠绕制品㊂压力容器使用网格理论计算缠绕层结构参数㊂网格理论的关键在于假设忽略树脂的作用,由纤维网络结构承担全部壳体内压,从而使得纤维缠绕压力容器设计更加简单㊂但根据网格理论设计的纤维缠绕层,会在实际制造中产生封头纤维堆积的问题,需要通过螺旋缠绕角度和纤维铺层顺序来优化纤维缠绕层厚度的分布和整体承载能力㊂纤维缠绕在芯轴或内衬上的路径决定了纤维在压力容器上的取向,树脂所受载荷和纤维张力影响纤维的体积含量,缠绕张力的合理控制可以充分发挥纤维性能和增大纤维应力㊂测地线轨迹缠绕线型的螺旋向纤维缠绕角α需要和测地线缠绕角的大小相等或接近㊂从封头段结构的强度方面分析,如果螺旋纤维缠绕角过小,则会破坏等张力封头其纤维受力的理想状态;如果缠绕角过大,则会使环向纤维层数增多,进而使封头段缠绕纤维出现堆叠㊁架空㊁滑移现象,不能发挥纤维的高强度㊂其次,缠绕线型在封头接口处应减少纤维与极孔相切次数,以避免封头部位出现纤维堆叠㊁架空现象,影响封头段强度㊂头部包角β通常选择在160ʎ~180ʎ之间,以避免出现缠绕时纤维打滑的现象㊂由缠绕层总厚度㊁纤维拉断强度和柱段部分半径影响压力容器的极限承载能力㊂缠绕角度对复合材料压力容器的性能影响较大,缠绕角的增加,对79纤维复合材料2024年㊀封头强度的提升和壳体质量减少都有用㊂缠绕角越大,封头越厚,重量越小㊂在满足极孔切根缠绕和纤维不打滑的前提下,对缠绕机缠绕角进行调整或者增加极孔半径,能得到强度高和质量轻的产品㊂5㊀CFRP压力容器制备本文选用与东丽T700同等级别的国产碳纤维-拓展CCFT700S为增强材料,以环氧树脂为基体材料,以氯化丁基橡胶为内衬制备国产碳纤维复合材料压力容器㊂压力容器的底座㊁接嘴和耳片采用金属材料,芯模采用预制可溶性芯模,结构示意图如图4所示,制备的CFRP压力容器为单极孔柱形结构,总长350mm,外径140mm,重量不超过1.5kg,爆破压强ȡ60MPa㊂图4㊀压力容器结构示意图金属接嘴和底座通过氯化丁基橡胶包覆粘接,固定在预制可溶性芯模上,形成完整内衬层㊂采用湿法缠绕成型工艺进行复合材料结构层成型,按照缠绕机电脑程序设定的线型,将浸胶纤维缠绕在内衬上,耳片和复合材料结构层一体成型㊂压力容器柱段部分的主应力方向为环向和纵向,当缠绕纤维的方向为主应力方向时,纤维的高强性能可以得到充分发挥,因此在柱段部分增加环向纤维缠绕以满足强度设计要求㊂缠绕结束后进行加压固化成型,溶解可溶性芯模㊂制备工艺流程如图5所示㊂根据网格理论,结合缠绕角和铺层顺序的优化,设计纵向缠绕角为9ʎ㊁11ʎ㊁13ʎ㊁15ʎ和20ʎ㊂纵向缠绕层厚度为1.7mm,环向缠绕层厚度为2.3 mm,复合材料层总厚度为4.0mm㊂用拓展CCFT700S进行湿法缠绕成型,缠绕张力控制在30 Nʃ5N㊂所制备的CFRP压力容器重量为1.45kg,容积为4.1L㊂压力容器的水检检测压强为37.50~ 0.5MPa,稳压10min无渗漏;气密检测压强为30+0.5MPa,5min内无气泡㊂将压力容器充水至60 MPa压力下保压3min,未破裂,满足爆破压力设计要求,继续升压至78MPa时气瓶在后封头位置处爆破,极限承载能力为78MPa㊂CFRP压力容器设计满足技术要求,并成功验证了国产碳纤维-拓展CCFT700S在CFRP压力容器上的应用可行性㊂图5㊀CFRP压力容器制备工艺流程6㊀结语复合材料压力容器轻质高强㊁刚度高,能承受高压气体,易于携带㊂可根据工程设计软件灵活设计缠绕程序,满足对不同的功能需求和设计要求下的纤维缠绕角㊁铺层厚度以及材料性能的参数优化,生产周期短㊂基体材料可以通过裂缝和其他形式的损伤吸收能量,纤维层局部失效不会导致其快速失效,安全性高㊂目前,我国与国外同等级别的碳纤维可以满足复合材料压力容器的设计指标要求,产业链原材料端更为健全㊂通过不断优化改进现有的纤维缠绕工艺,细化和完善检测标准,推动复合材料压力容器成型工艺研究向着仿真与制造一体化㊁整瓶优化㊁高性能和低成本化方向发展,能够加快中国能源结构优化㊁低碳化和可持续化,推动碳中和终极目标早日实现㊂参考文献[1]白文怡,廖英强,刘勇琼,等.碳纤维复合材料缠绕气瓶优化研究进展[J].炭素,2020(01):36-41.[2]沈功田.金属压力容器和常压储罐声发射检测及安全评价技术与应用[J].中国特种设备安全,2016,32(07):1-5.89㊀1期复合材料压力容器的研究与制备[3]ATILHAN S,PARK S,EL-HALWAGI M M,et al.Green hy-drogen as an alternative fuel for the shipping industry[J].Current Opinion in Chemical Engineering,2021,31100668. 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复合材料压力容器基体开裂损伤的研究

第1期
2008 年 3 月
纤维复合材料
FI1 ,2008
复合材料压力容器基体开裂损伤的研究
张晓兵1 ,魏喜龙1 ,宋凌云2 ,马国峰1 ,
(1. 哈尔滨玻璃钢研究院 ,哈尔滨 150036) (21 二炮驻哈尔滨地区军事代表室 ,哈尔滨 150001)

如图 1 所示 , 长纤维复合材料可看成是无限大均质材料中含有呈一定规律分布的无限长圆柱形夹杂 ( 即纤维) 的非均质体。这样 , 在仅考虑均布外载
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b. 可节省钛合金气瓶约 25 %～50 %的质量 ; c. 负载工作寿命长 ; d. 具有爆破前先泄漏 (LBB) 的疲劳失效模式 ; e. 高可靠 ; f . 生产费用低 ,周期短。
层的原内衬负载。
2 复合材料层的基体开裂损伤分析
2. 1 成型工艺对基体的影响
影响复合材料压力容器性能的缠绕变量包括浸胶量、纤维张力、纤维胶液渗透等。缠绕张力能使树脂基体产生预应力 , 从而可提高基体抵抗开裂的能力。张力大小、各束纤维间张力的均匀性 ,以及各缠绕层之间纤维张力的均匀性 ,对制品质量影响极大。大量研究结果表明 , 纤维缠绕制品的强度和疲劳性能与缠绕张力有密切关系。表 1 给出了压力容器的预加张力和开裂点的关系。
表1 预加张力与开裂点的关系
张力 ( 纤维破坏荷载的 %)
5 10 18
起始开裂的时刻压力 (MPa)
0. 8 1. 2 1. 7
复合材料压力容器要满足 MIL STD 1522A 安全规范 ( 标准) ,其中最主要的就是要具有一般金属压力容器所没有的爆破前先泄漏的疲劳失效模式。该安全失效模式要求满足两个必要条件 : 一是复合层循环寿命要远大于内衬循环寿命 ; 二是要足以承受当内衬发生不稳定裂纹增长时迅速转移给复合材料

复合材料热压罐

复合材料热压罐复合材料热压罐是一种用于制造复合材料制品的设备，它在复合材料工业中扮演着至关重要的角色。

复合材料热压罐通过高温和高压的作用，将树脂和纤维材料进行热压固化，从而制造出具有优异性能的复合材料制品。

本文将对复合材料热压罐的结构、工作原理以及应用领域进行介绍。

首先，复合材料热压罐通常由压力容器、加热系统、压力系统、控制系统等部分组成。

压力容器是承受高压的部件，通常由高强度的材料制成，以确保在高压下不会发生变形或破裂。

加热系统用于提供热能，将树脂加热至固化温度，同时也可以对整个罐体进行加热，确保整体温度均匀。

压力系统则用于提供所需的压力，确保树脂和纤维材料在高温高压下能够充分固化。

控制系统则起到监测和调节各个参数的作用，确保整个工艺过程的稳定和可控。

其次，复合材料热压罐的工作原理是将预先铺设好的纤维材料与树脂材料放置在模具中，然后将模具放入热压罐中，通过加热系统将树脂加热至固化温度，同时通过压力系统施加高压，使树脂充分渗透纤维材料并固化，最终得到所需的复合材料制品。

整个工艺过程需要严格控制温度、压力和时间等参数，以确保制品的质量。

最后，复合材料热压罐在航空航天、汽车制造、船舶制造、建筑材料等领域都有着广泛的应用。

在航空航天领域，复合材料制品具有高强度、轻质的特点，能够满足飞机和航天器对材料性能的苛刻要求。

在汽车制造领域，复合材料制品可以有效降低汽车的整体重量，提高燃油经济性和安全性。

在船舶制造领域，复合材料制品具有耐腐蚀、抗海水侵蚀的特点，能够延长船舶的使用寿命。

在建筑材料领域，复合材料制品可以替代传统材料，具有更好的耐候性和抗冲击性。

综上所述，复合材料热压罐作为复合材料工艺中的关键设备，具有重要的意义。

它的结构和工作原理决定了其在复合材料制造中的不可替代性，同时其广泛的应用领域也证明了其在现代工业中的重要地位。

随着科技的不断进步，相信复合材料热压罐将会在未来发展中发挥更加重要的作用。

压力容器分类及其安全附件常识范本（二篇）

压力容器分类及其安全附件常识范本压力容器是一种用于存储和输送高压气体、液体或气液混合物的设备，是许多工业领域中必不可少的设备之一。

由于容器中储存的物质具有高压力，因此容器的安全运行非常重要。

为了保证压力容器的安全性，需要进行分类，并配备相应的安全附件。

一、压力容器的分类：1.按储存介质分类：（1）气体容器：用于存储压缩气体，如空气压缩机、液化气罐等。

（2）液体容器：用于存储液体，如水泵、锅炉、石油储罐等。

（3）气液混合物容器：用于储存气液混合物，如液化天然气储罐、液化石油气储罐等。

2.按容器形状分类：（1）球形容器：容器呈球形，适用于承受压力较高的场合，如石油储罐。

（2）圆柱形容器：容器呈圆柱形，适用于承受压力较低、体积较大的场合，如锅炉。

（3）立式容器：容器呈直立形，适用于高空间限制的场合，如空气压缩机。

（4）横式容器：容器呈水平形，适用于低空间限制的场合，如储油罐。

3.按容器结构分类：（1）单壳结构容器：只有一个具有一定强度的容器壳体。

（2）复壳结构容器：由外壳和内壳组成，内外壳之间形成空隙。

（3）球形容器：由多个球形部分组成。

（4）非球形容器：除了球形以外的其他形状，如圆柱形、立式、横式等。

4.按容器用途分类：（1）贮存容器：用于储存物质。

（2）输送容器：用于输送物质。

（3）反应容器：用于进行化学反应。

二、压力容器的安全附件常识：1.安全阀：是一种用于排放过压气体或液体的安全附件，通过调整阀门开启压力来控制容器内部压力，避免超过安全压力。

2.压力表：用于测量容器内部的压力，及时了解压力变化，以便及时采取措施。

3.爆破片：也称为爆破盘、爆破膜，是一种紧密封闭容器内部，当容器内压力过高时，爆破片会破裂，释放压力。

4.温度计：用于测量容器内部的温度，及时发现温度异常。

5.液位计：用于测量容器内液体的液位高度，以确保液位在安全范围内。

6.检修孔：用于容器内部的检修和维护。

7.安全联锁装置：用于联动其他设备，在容器内部压力过高或温度异常时自动切断供气或供电。

超薄单层复合材料缠绕压力容器承载性能研究

超薄单层复合材料缠绕压力容器承载性能研究
刘雁鹏;任中杰;韩宇泽;任明法
【期刊名称】《压力容器》
【年(卷),期】2024(41)1
【摘要】针对压力容器承载性能,基于经典层合板刚度等效理论,提出了一种可以考虑复合材料缠绕层单层厚度的压力容器承载性能分析方法;与实际铺层有限元模型进行对比,验证了分析方法的有效性;对不同单层厚度的复合材料进行了单向拉伸试验,获得材料强度与单层厚度的关系;分析了超薄单层复合材料缠绕压力容器的应力分布、失效系数分布及失效压力。

结果表明,超薄单层复合材料缠绕压力容器的应力和损伤分布更为均匀,失效内压较常规单层厚度复合材料可提高54.5%。

该研究成果可为超薄单层复合材料缠绕压力容器的结构设计提供可靠的理论参考。

【总页数】9页(P45-52)
【作者】刘雁鹏;任中杰;韩宇泽;任明法
【作者单位】大连理工大学工程力学系;大连理工大学机械工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TH49;O342;O241
【相关文献】
1.纤维缠绕复合材料压力容器健康监测研究进展
2.纤维缠绕复合材料压力容器的研究现状
3.纤维缠绕工艺在复合材料压力容器上的研究进展
4.纤维缠绕复合材料压力容器的多尺度分析与性能预测
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关于复合材料压力容器制造中得质量控制要点分析

摘要：随着我国经济的不断发展，压力容器在国民经济中发挥着越来越重要的作用。自２世纪６Ｏ０年代末开始，Ｓ璃和凯夫以玻拉一９纤维复合金属材料的轻质量压力容器逐渐取代传统的全金属气瓶。０代中期出现的性能优越的高强度碳纤维，４８年与低费用无焊缝铝制造技术结合，使得费用低、量轻、靠性高的高压容器生产变为现实。本文结合近年的工作经验以及对相关资料的查阅，质可探讨复合材料压力容器的优越性及其设计和典型结构，阐述复合材料压力容器的主要应用等，而分析复合材料压力容器制造中质从量控制要点，为相关工作者提高理论参考。
关键词：合材料；力容器；复压制造；量控制质
中图分类号：Ｇ３６４Ｔ８．４１概述文献标识码：Ａ
压力容器是承受～定压力的设备，在化工、轻工、、等领域得到广泛应用。我能源航天国工业技术的发展迫切要求压力容器能够在各种条件下具有更优良的性能。压力容器本身存在着很大的危险性，害程度主要与设计其危压力、度、温介质条件和材料力学性能有关。复合材料的发展对整个压力容器技术的突破具有重要意义。压力容器的材料选取是设计过程中的重要步骤，器的后期使用起着决定性对容作用，料的机械强度和耐腐蚀性等都会影响材压力容器的使用状况，压力容器材料多为以往金属板材，容器内衬采用耐腐蚀的合金钢材料，外层进行金属层板包扎以提高机械强度。但金属材料密度大、价高，是在腐蚀严造尤其重的场合选用合金钢材料，给工业生产带来许多不便。上世纪４年代，０复合材料得到迅速发展，尤其促进了复合材料压力容器的发展和应用。复合材料压力容器具有优良的性能，在工业压力容器中得到了广泛应用。２复合材料压力容器的相关概述２．１复合材料压力容器性能特点根据国际化标准组织（Ｏ）Ｉ的定义，Ｓ复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的～种多相固体材料。其中，一种材料为基体，它材料为增强体组合其而成的材料各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，合材料的综合性能优于原使复组成材料而满足各种不同的要求，不但具有可设计性材料与结构的同一性。复合材料的优越性、复合性能对复合工艺的依赖性等特点，还具有优良的化学稳定性，摩耐磨自润滑、减耐热、耐疲劳和电绝缘等性能，材料的优良复合性能使得尤其制造而成的压力容器具有独特的特点和优良性能：２．．１机械强度高，目前复合材料的增强１材料主要为一些纤维产品复合材料中的大量增强纤维，使得材料过载而少数纤维断裂时，载荷会迅速重新分配到未破坏的纤维上，使整个构件在短期内不至于失去承载能力；由于纤维材料本身强度高，形变性能好，与基体材料结合后强度性能会提高数倍；的容器质量制成好、刚性好、度高。强２１．２容器密度小，复合材料压力容器基．体材料为金属、陶瓷和一些聚合物等，身密本度不是很大，与增强材料融合更加降低了其密度值，因而相应的压力容器密度也属压力容器。２．．４韧性好，压力作用下，１在钢制压力容器破坏具有突发性，而复合材料压力容器的生产中材料与基体有效结合，可以使载荷平衡传递，防止裂纹扩展，了材料的断裂韧性，提高从而提高了压力容器的抗压性能。２．２复合材料压力容器研究现状目前，复合材料压力容器正以独特的优势（量轻、构效率高、效形式安全、腐蚀重结失耐性好）飞机、在潜艇、火箭等运载工具及医疗方面广泛应用。复合材料压力容器是复合材料技术在压力容器中的重要应用，必将随着复合材料技术的发展而发展。因此，展复合材料压力容在拓器应用范围的同时，国内外都在加强复合材料压力容器方面的基础研究，特别是在带内衬或无内衬压力容器的受力状态进行精确分析取得了一定成果。在对改进复合材料的成型工艺，使碳纤维复合材料与其连接的金属材料成为整体，达到最佳的性能指标。从而促进了复合材料压力容器在性能上的进步。３复合材料压力容器制造中质量控制要点分析３．１复合材料的选择复合材料压力容器在某些服役工况条件下，除了要有足够的强度外，应具备良好的还气密性，且与气体介质种类、力有紧密联系。压复合压力容器主要由内衬和纤维缠绕复合材料增强层组成。内衬材料的选取与复合材料的材料设计直接影响了压力容器的性能，以在所设计复合压力容器前，据压力容器的使Ｊ应根『】环境和用途等方面而定。慎选择复合压力容谨

碳纤维复合材料压力容器的透声性能研究

（ＨａｒｂｉｎＦＲＰＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｈａｒｂｉｎ１５００３６）
ＡＢＳＴＲＡＣＴＩｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｔｈｅＧＦＲＰｓｐｅｃｉｍｅｎａｎｄＣＦＲＰｓｐｅｃｉｍｅｎｗｅｒｅｐｒｅｐａｒｅｄｂｙｔｈｅｉｆｌａｍｅｎｔｗｉｎｄｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｗｉｔｈ
高性能复合材料逐渐在军工、航天上得到广泛应用。碳纤维复合材料既能满足容器的透声性能又能提供较高力学性能要求，是制造透声压力容器是理想
材料一引。本文通过对基体材料和增强材料透声性能的研
武器系统面临着严峻的威胁，声纳系统作为提高舰艇生存能力和突防能力的有效手段，受到世界各主
要军事国家的高度重视。为了模拟深海环境，检测换能器和水听器在外压下性能，在实验水池中需要将换能器或水听器放置在透声压力容器中加压进行检测。透声材料起着保证声纳设备在水中有一个良好工作环境的重要作用。
ＳｔｕｄｙｏｎＡｃｏｕｓｔｉｃａｌｌｙＴｒａｎｓｐａｒｅｎｔＰｒｅｓｓｕｒｅＶｅｓｓｅｌｏｆＣａｒｂｏｎＦｉｂｅｒＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓ
ＨＯＵＣｈｕａｎｌｉ，ＣＨＥＮＪｉａｚｈｅｎｇ，ＷＵＷｅｉｐｉｎｇ，ＪＩＡＮＧＧｕａｎｇｘｉａｎｇ

航天用复合材料压力容器的应用与发展

系统、流体管理系统、生命保障系统和科学实验系统在内，共应用了24个压力容器，其工作压力为1．06—50M Pa 、容积为5—600L 、长度为470—5776m m 、直径为146一l 336m m ，存储的气体包括氢气、氧气、氮气、氩气、空气和二氧化碳等¨肚12]。

航天系统中如今使用的复合材料压力容器大多是由双层结构组成，内层为金属内衬层，外层为树脂基体增强的纤维缠绕层。

1．1内衬材料的选择内衬层材料大多选用金属，包括M onel 合金、铝合金、不锈钢、钛合金等。

对高循环寿命应用的压力容器采用如钛合金、不锈钢、因科乃尔内衬。

另外，还应考虑成形、质量、制造费用等技术因素及腐蚀、污染、氧化等风险问题，应该针对不同的包容介质选择相应的内衬材料，以保证两者的相容性。

比如储氧压力容器一般采用与氧相容性很好的M onel 合金。

一般不采用钛合金。

对于储氢压力容器，要考虑抗氢脆特性，多采用铝合金或不锈钢材料Ll 卜”J 。

1．2外层材料的选择复合材料压力容器外层材料主要选择玻璃纤维、芳纶纤维、碳纤维和凯夫拉纤维等，其性能见表l 。

表l 缠绕纤维性能比较T 蜀山．1n 叩硎荡∞呻捌{s ∞0f 6be 璐I 删斯m 【l m I l et 诵I 湎l l g玻璃纤维具有强度高、伸长率大、抗冲击性能好、价格低廉等特点，但弹性模量较低，通常采用高强玻璃纤维在压力容器外表面缠绕数层作表面抗冲击保护层。

凯芙拉纤维具有高强度、高模量、冲击性能好以及良好的化学稳定性和耐热性的特点，主要用于航空、航天等对质量要求特别严格的压力容器上。

碳纤维具有密度小、比强度、比模量高的特点，是目前最主要采用的增强材料，包括加入低模量纤维(纤维玻璃、凯夫拉纤维)改进抗冲击性能的压力容器¨6。

驯。

2复合材料压力容器发展趋势新型航天器不断追求高效能、低成本、长寿命、高可靠性。

其中低成本的要求更是重中之重。

无内衬复合材料压力容器在这种需求下应运而生。

高性能碳纤维复合材料耐压容器研究进展

高性能碳纤维复合材料耐压容器研究进展摘要：碳纤维复合材料以其高强度、高模量、耐高温、抗化学腐蚀等优异特性，在航天、军事和民用领域中得到广泛应用。

随着碳纤维复合材料的性价比提高和复合材料制造技术的发展，碳纤维复合材料耐压容器在导弹发动机、火箭发动机壳体、卫星贮箱、交通运输和自救呼吸装置等方面的应用前景十分乐观。

本文综合相关研究成果，主要探讨高性能碳纤维复合材料耐压容器的研究进展，为进一步提升碳纤维复合材料耐压容器的性能和可靠性提供参考。

关键词：高性能碳纤维；复合材料；耐压容器1碳纤维复合材料的主要使用范围碳纤维的特性使其在军事和民用领域中具有广泛的应用前景。

碳纤维复合材料可以用于制造导弹发动机的耐压容器，因为碳纤维具有高强度和高模量的特性，能够承受高压和高温环境,它们的轻量化特性也可以减轻整体重量，提高导弹的性能。

同时，碳纤维复合材料耐压容器可用于卫星贮箱，这些贮箱用于储存和保护卫星上的燃料、气体或其他液体[1]。

碳纤维的高强度和抗化学腐蚀性使其成为这些应用的理想选择。

碳纤维复合材料耐压容器可以在天然气瓶等交通运输领域中得到应用。

相比传统的金属容器，碳纤维容器具有更轻的重量和更高的强度，提供了更好的安全性能和节能效果。

在自救呼吸装置中，碳纤维复合材料耐压容器可以用于存储氧气或其他气体，需要具有高强度、轻量化和耐腐蚀性能，以确保在紧急情况下提供可靠的气体供应。

随着碳纤维复合材料生产工艺的改进与成本的进一步降低，预计碳纤维复合材料耐压容器在上述领域的应用将继续增加。

这将有助于提高设备性能、减轻重量、增加安全性，并带来更多创新的解决方案。

不同规格碳纤维的参数对比情况见表1。

表1 不同规格碳纤维的参数对比规格拉伸强度／MPa拉伸模量／GPa首造厂家T3002500220日本东丽T800H5490294日本东丽T10007060294日本东丽M462350451日本东丽M60J3820588日本东丽T11007000324日本东丽2碳纤维复合材料在高压容器中的应用2.1碳纤维复合材料在承受内压容器中的应用航空航天、导弹等领域对轻质、高性能的压力容器提出了更高的要求。