球型封头压力容器的结构层次设计及缠绕成型工艺的研究

球型封头压力容器的结构层次设计及缠绕成型工艺的研究

摘　要：通过对实际球型封头压力容器产品的研制, 阐述了球型封头压力容器结构层次的设计方法,介绍了在缠绕成型工艺中出现的问题及解决方法。
关键词：球型封头, 压力容器, 缠绕管道切割机,便携式切割机,便携式数控切割机,相贯线切割机,数控相贯线切割机

1 引言
压力容器壳体的封头, 一般为旋转对称壳体, 封头的形状直接影响着容器的性能。纤维缠绕壳体的封头部分只能是螺旋缠绕或平面缠绕, 这两种线型所形成的网络单元都是螺旋型的, 为了使封头部分能承受较大的内压载荷、并产生较小的变形(尤其是剪切变形), 应以平衡型缠绕为好, 平衡型等张力封头或平衡型平面封头都能实现平衡型缠绕。但所有椭球型封头都不能实现平衡型缠绕。球型封头是椭球封头的一个特例, 同样不能实现平衡型缠绕。虽然为了减小基体所受的剪切, 保持结构变形的均匀和提高结构效率, 缠绕压力容器可以采用平衡型等张力封头或平衡型平面封头, 但对于一些有特殊要求的产品, 其压力容器封头的形状为半球型的也有所难免, 因此缠绕球型封头压力容器的研究势在必行。
本文通过对实际产品的研制, 认为球型封头压力容器的设计方法和思路不同于传统的方法;阐述了在研究中所采用的设计方法和理论;介绍了在成型工艺中出现的问题及解决方法。

2 已知条件
    所研制的产品中间段为圆筒形, 两端封头为半球形;是一个非常典型的球型封头压力容器, 见下面照片:
    芯模包敷橡胶后的外型几何尺寸:D =346 d1 =44 d2 =96 L =713 R球头=173
    爆破压力:P =5MPa
    碳纤维股纱极限强力:F =2000N
    纤维密度:ρf =1 .79 　　
    纱团数:M =3

3 球形封头的结构设计
3.1 球形封头的纤维缠绕结构
球形封头的缠绕方法从缠绕纤维的落纱稳定性来考虑, 一般都采用大圆缠绕, 即纤维绕在最大直径的圆周上, 如果纤维不在大圆上, 就会打滑滑到其他位置;在实际工作中, 由于客观条件的限制, 严格地将纤维绕在大圆上且绕成容器也是不可能的, 要利用缠绕纤维的摩擦力, 使纤维尽量稳定在接近大圆的位置上。在连续的缠绕后, 缠绕纤维在封头极孔处将会形成一个包络纬度圈。但这样缠绕的纤维,在封头表面并不能合理地满足均匀受力的要求, 要采用多包络圈的缠绕结构, 即先在金属极嘴颈部纬度处, 缠绕一定数量的包络圈以满足金属极嘴颈部处壳体的强度要求;再在较前一包络圈纬度低的某一纬度处(包络圈直径扩大了), 缠绕一定数量的包络圈以满足该纬度处的强度要求;再扩大包络圈直径, 再缠绕……如此类推, 直到在封头与筒段交线附近的某一纬度处为止, 在该处缠绕结束后, 封头上的缠绕纤维完全满足封头的强度要求。

3.2 球形封头表面的缠绕纤维提供的经纬向抗力
令x0为包络纬度圈的半径;
    x为球形封头表面任意点A 的纬度半径;
    α为缠绕纤维在任意点A 处与经线的交角;
    β为包络圈的纬度。
    缠绕纤维与经线的交角在球形封头表面上是变化的;在封头与筒段的交线上, 交角αe=90°-β , 在包络纬度圈处, 交角α=90°, 在中间任意点A 处的交角。
根据“网络理论”的基本公式可以推导出缠绕纤维在A点的经纬向抗力为:
    经向抗力

纬向抗力

    式中n为A点处的纤维密度,f为单股纤维最大许用张力;在封头表面各纬度线上的纤维密度是不同的;随着纬度的增高,纤维密度也相应增加;但经过各纬度线的纤维量是一常数,根据这一条件可推导各纬度线处的纤维密度表达式为了计算方便,采用封头与筒段的交线处垂直纤维方向上的纤维密度为基准;令其为ne,该处纤维与经线的交角(即筒段缠绕角)为αe;则经过该处纬度线的总纤维量为2πRnecosαe,经过任一纬度线的纤维总量为2πxncosα;因此推导出的各纬度线处的纤维密度表达式如下:

但在包络纬度圈上时(即x = x0 时), 上式没有实际意义, 在该处纤维堆积情况最为严重, 但不会象由上式得出的结论那样n = ∞;在实际上, 缠绕纤维束是有一定宽度的, 不可能全部集中在包络圈上,包络圈处的纤维密度可用下面公式求得:式中δ为缠绕纤维束的展纱宽度。将上面两式代入前面纤维经纬向抗力表达式:

式中绕纤维束的展纱宽度。将上面两式代入前面纤维经纬向抗力表达式:

在包络圈处的纬向抗力为：

通过对上面公式的研究得知:若只用缠绕一个包络圈的缠绕方式缠绕球形封头, 则在x ≥ 2x0的绝大部分区域内, 由缠绕纤维的纬向抗力控制球形封头的承载能力;这样缠绕的产品结构是非常不合理的, 为了充分利用缠绕纤维所提供的纤维抗力, 需要采用多包络圈的缠绕方法, 用缠绕纤维所提供的纬向抗力作为设计的主要指标。

3.3 球形封头所承受的薄膜张力
金属极嘴与玻璃钢之间是胶接面, 胶结面处的粘接力远低于纤维的强度, 它不能充分地传递球形封头的经向张力;因此在对球形封头进行受力分析时, 需要把球形封头看作是一个两极开孔的球壳。在分析这个开孔球壳时, 先将其作为承受内压P的一个完整球壳来处理, 然后叠加上一个在极孔处承受着经向薄膜压力PR/2的无内压的开孔球壳, 这样组合的壳体相当于一个两极开孔的壳体。完整球壳所承受的经向及纬向薄膜张力均为PR/2 , 叠加的开孔球壳在球壁上产生了经向薄膜压力N1*和纬向薄膜张力N2* , 从静力平衡条件可得:

令sinα0 =x0/R ,sinα=x/R ,,所以：

由这个压力引起的纬向薄膜张力为，将这个内力与完整球壳的内力叠加求出两极开孔球壳承受内压P时的经纬向薄膜张力为:

经向薄膜张力
纬向薄膜张力

3.4 球形封头缠绕结构的计算
    根据前面介绍的公式, 分别计算出球形封头上若干点的薄膜张力及纤维所提供的极限抗力;对于纤维缠绕球形封头, 其薄弱点是封头的纬向强度, 经向强度相对纬向强度有一定的富裕度;即:封头的强度是由缠绕纤维提供的纬向强度保证的。因此, 我们暂时不考虑经向强度。整个计算以列表形式给出如下:
    下表中, 左表为小金属极嘴端的球形封头所承受的薄膜张力, 右表为大金属极嘴端的球形封头所承受的薄膜张力, 中表为球形封头表面的缠绕纤维所提供的纤维纬向抗力;中表中, X0为两端球形封头上的包络圈的半径, 22.0 包络圈与48.0 包络圈所属同一螺旋缠绕层, 分别出现在小金属极嘴端和大金属极嘴端的封头上;64.2 包络圈与125.6 包络圈分别属于两个不同的螺旋缠绕层, 每个螺旋缠绕层在两端各有一个包络圈;X 为沿封头经线上的若干设计控制点。B为螺旋缠绕时的缠绕前进量。

    在球形封头表面某一点上, 缠绕纤维所提供的抗力可在上表的中间表中查到, 数值为X所对应行的同一封头上的所有包络圈缠绕所提供的T2值之合;将缠绕纤维所提供的抗力与该点处的封头所受薄膜张力相比较, 如果前者大于后者, 则该处的缠绕纤维结构满足该点的承载要求;例如:在小金属极嘴端的封头上X=64.2 处, 纤维所提供的抗力为501.1 +5379.85 +0 >483.29 , 所以该处不会破坏。经过调整后, 上表的数据均满足要求, 可以认为封头的缠绕结构是可行的。
    由上表确定的封头缠绕结构是这样的:管道切割机,便携式切割机,便携式数控切割机,相贯线切割机,数控相贯线切割机
    1.切根缠绕一个;B =8 ;
    2.包络圈半径64.2 的螺旋缠绕一个;B =10 ;
    3.包络圈半径125.6 的螺旋缠绕一个;B =10 。
    对于切根程序的实际缠绕角偏差影响的考虑:对于小口端, 实际缠绕角的增大, 使得纬向强度有所加强, 因此影响是有益的;对于大口端, 实际缠绕角的减小虽然使纬向强度有所削弱, 但由于过早地得到半径64.2 包络圈的增强;所以大口端相对小口端是偏于保守的。

4 筒身段的结构设计
根据“网络理论”对壳体的筒段进行设计;首先求算出各包络圈螺旋缠绕层在筒身段的缠绕角, 然后计算缠绕纤维在筒身段提供的经向抗力及环向补强的纤维量。

4.1 各包络圈螺旋缠绕层在筒身段的缠绕角
根据现有的技术条件, 对该壳体进行理想的“测地线”缠绕是不现实的;我们只能兼顾同时出现的几方面问题, 平衡各方面的条件, 最大限度地向理想的状态努力。

4.1.1 切根缠绕层的缠绕角α确定
    小嘴封头端:α1 = sin-1(d1/D)=7.306 deg
    大嘴封头端:α2 = sin-1(d2/D)=16.108 deg
    平均缠绕角:α=(α1+α2)/2 =11.707deg ≈12deg
    机器最小极限缠绕角:αmin =12deg 　选定缠绕角为14deg 。

4.1.2 64.2 包络圈及125.6 包络圈的筒身缠绕角
    64.2包络圈的筒身缠绕角管道切割机,便携式切割机,便携式数控切割机,相贯线切割机,数控相贯线切割机

   125.6包络圈的筒身缠绕角

4.2 缠绕纤维在筒身段提供的经向抗力及筒身段所承受的经向薄膜张力
    根据“网络理论”中的公式, 计算缠绕纤维在筒身段提供的经向抗力T1 。通常螺旋缠绕纤维的抗拉强度并不能百分之百的发挥出来, 在设计计算中一般采用纤维强度发挥系数予以修正, 下式中ki 为纤维强度发挥系数, 取K切根=0.73 、k64=0.74 、k125=0.75 , ni 为该层的纤维密度, ni =M/Bi,Bi 为缠绕前进量。则:
    T1=2 Σnjfkicos2αi =2222 .15
    筒身段所受的经向薄膜张力为
    N1=PD/4=PR/2=432.4
    因为T1>N1 , 所以现有纤维提供的经向抗力足以满足壳体所承受的薄膜张力。

4.3 筒身段环向缠绕纤维量的确定
纤维提供的环向抗力为T2 = Nn环f+2Σnifkisin2αi , 式中N为环向缠绕层的层数, n环为环向缠绕纤维的纤维密度, 取B环=10 , 这样便可确定n环的值。筒身段壳体所承受的环向薄膜张力为N2=PD/2=PR 。
令T2=N2 , 由此关系式解得环向缠绕层的层数N=0.63≈1层;考虑到外部槽的加工工艺的方便, 确定外层环向为2层。

5 整个壳体的缠绕层次结构
   1.缠绕一个;B =8 ;
   2.圈半径64.2 的螺旋缠绕一个;B =10 ;
   3.圈半径125.6 的螺旋缠绕一个;B =10 ;
   4.段需要缠绕2 层环向;B =10 。管道切割机,便携式切割机,便携式数控切割机,相贯线切割机,数控相贯线切割机
   由于“网络理论”是一种刚度降级准则, 它忽略了树脂基体对纤维的粘接强度。这一理论对于承受较高内压的壳体是适用的, 但对于象本产品这样承受内压较低的壳体, 就略有些保守了。但是在产品的重量要求以内, 适当地提高缠绕纤维的强度裕度,对增加壳体整体刚度是非常有益处的。因此认为上面确定的缠绕层次结构是合理的。

6 成型工艺方面的有关问题
6.1 缠绕线型确定
缠绕球形封头压力容器的缠绕线型不同于球形压力容器, 球形容器的缠绕线型为平面缠绕线型, 球形封头压力容器为螺旋缠绕线型;球形封头压力容器的缠绕线型主要是由于其几何形状决定的, 缠绕纤维在球形封头表面上的动平衡稳定点在球封头的大圆上, 纤维只有沿着大圆轨迹分布才能稳定;当纤维绕过封头进入筒身段时刻, 纤维在封头上与经线的夹角应与筒身段的缠绕角相等;在筒段要按同一缠绕角进行螺旋缠绕线型才能稳定, 纤维从一端封头到达另一端封头, 芯模要转过若干角度, 因此, 单切点缠绕线型不是球形封头压力容器的唯一解, 即球形封头压力容器的缠绕线型可能是多切点的, 这将取决于封头纤维扩孔位置及筒身段的长度;而球形压力容器可以看成一个筒身段长度为零的球形封头压力容器, 这时没有了筒身段的过渡, 两端封头上的缠绕大圆是在同一平面上的, 单切点缠绕线型是球形压力容器的唯一解。球形压力容器是球形封头压力容器的一个特例。

目前通用的缠绕设备条件尚不具备精确控制纤维在封头上的排布位置的能力, 因此, 每一扩孔缠绕线型都需要进行现场排线检测;在排线检测中需要遵循下面两条原则:a.缠绕线型扩孔位置要满足设计要求;通过测量扩孔包络圈到极嘴的距离来控制;b.封头包角为180°;在封头缠绕中, 缠绕纤维进入封头的点与缠完封头后进入筒身段的点之间的连线应在同一直径上。

6.2 成型过程中的问题
6.2.1 芯模问题
芯模不仅要满足产品的形状、尺寸精度要求, 还要满足产品成型工艺诸如固化、脱模等要求;对于此类产品的芯模问题, 解决方法有三种:第一、内衬芯模;选择具有一定刚度和强度的材料制作内衬, 直接在内衬上进行产品的施工, 产品制作完成后, 内衬作为产品的一部分不必取出。第二、组合芯模;采用某种机械结构将若干部件组合成芯模, 产品制作完成后, 将各个部件从极孔取出。第三、水溶性砂芯模;用水溶性树脂与砂子复合制作砂芯模, 在砂芯模表面进行产品的施工, 固化后用热水将砂芯模溶解, 从极嘴将砂子混合物倒出。三种方法各有优缺点和局限性。经过对成型方案的筛选, 最后决定采用水溶性砂芯模成型此产品。管道切割机,便携式切割机,便携式数控切割机,相贯线切割机,数控相贯线切割机

6.2.2 产品的层次结构、材料及缠绕成型
由于产品有密封要求, 因此在壳体内表层需要有一层密封层来保证壳体的密封性;在此产品中, 采用了丁腈橡胶制作密封内衬层, 成功地解决了壳体的密封问题;在密封内衬层的外面是壳体的承载结构层, 主要由碳纤维复合材料构成, 碳纤维复合材料较玻璃纤维复合材料密度小、且尺寸热稳定性高, 这些特点对减轻壳体重量及提高密封性都起着积极作用;密封内衬层与承载结构层之间界面的粘接采用一种特殊的粘接工艺和粘接剂进行粘接。壳体两极极嘴金属结构件是用铝合金材料制成, 经表面喷砂
处理后, 用专用粘接剂与密封内衬相连接。壳体结构层的缠绕成型是在计算机控制缠绕机上进行的,除在两端极嘴处需要切根的纵向层外, 其余的纵向层均不需要绕丝嘴做伸臂运动, 仅仅是在纵向缠绕程序切换的时候才需要手工对缠绕纤维在球型封头表面上做定位处理。

7 试验验证
按前面设计的缠绕层次结构制作了1 :1 的试验件, 通过测试该试验件疲劳性能及爆破压力, 考核试验件性能是否满足产品所规定的技术指标, 功能是
否正常;试验件的复合结构及成型工艺是否合理。管道切割机,便携式切割机,便携式数控切割机,相贯线切割机,数控相贯线切割机

7.1 试验依据及测试方法
根据产品设计要求;制订了试验件疲劳性能及爆破压力测试方法如下:首先在试验件内注满水, 然后加压至2.4MPa , 保压0.5 分钟后卸压至0 ;此步骤重复10 次, 以考验试验件的疲劳性能, 要求试验件不破坏不渗漏。最后加压至试验爆破为止, 测试试验件的爆破压力, 确定其承载能力。要求爆破压力大于5MPa 。
　