碳纤维复合材料压力容器设计与制造现状

  随着工业要求的提高,复合材料在压力容器中的应用越来越多,尤其是在一些小型压力容器中应用更多。复合材料可直接成型,适合应用于高压容器或--些危险性较大的容器中。复合材料压力容器常采用金属内衬,外包扎碳纤维等复合材料作为强度层的结构。

  就国内而言,一般使用的复合材料压力容器在设计上都倾向于利用网格理论,基本上所有的程序都是在网格上分析研究的。该理论坚持:基于网格理论设计的复合材料压力容器纤维分布比较均匀,因此在一定程度上决定了其受力的均匀性,如果忽略基体材料的刚度,那么纤维能将所有的容器作用力承担起来。并认为可基于网格分析最终获得纤维的缠绕方向、厚度和应力。

  通常,复合材料压力容器的外观形状要经过科学的计算才能确定。同时,一定要在保证压力容器均衡的基础上才能划分微元网格。基于网格理论的复合材料压力容器设计,对于容器压力、纤维材料韧性、容器外观大小等的选择不重视,一般只是将纤维制品的韧性参数范围标注出来,而对于容器构件能够承受的最大力没有作出明确的规定。而国外则采用传统的安全系数法设计复合材料压力容器,设计标准给出了安全系数范围,但未给出可靠度指标,设计理论体系同样也不健全。

  目前,复合材料压力容器采用的制作方法主要是纤维缠绕工艺。对于其简身来说,螺旋缠绕是最主要的缠绕方式,这样能保证压力容器的刚性和强度。通常,在枸造压力容器时,各种延展性较好的金属是基体材料的首选,其能保证容器的严密性和抗疲劳性。复合材料压力容器结构连接具有一定的难度,其筒节之间常采用螺纹连接,而不能像金属材料那样仅进行焊接组合,这就要求容器制造具备较高的精度,密封性也要高于普通密封。