[发明专利]一种耐高温高压碳纤维聚酰亚胺复合材料气瓶设计方法

说明书

本发明公开了一种耐高温高压碳纤维聚酰亚胺复合材料气瓶设计方法，第一步，聚酰亚胺作为碳纤维浸渍树脂，并测试其各种性能，用于有限元分析；第二步，设定金属内衬尺寸，气瓶瓶包括薄壁筒身段和前后封头段，封头采用内、外型面双椭圆设计，计算碳纤维聚酰亚胺复合材料层和聚酰亚胺高温应变补偿层；第三步：利用有限元仿真计算；第四步：优化调整；第五步：进行试验件爆破和分析对比。本申请可以设计出可以实现环境温度在250℃‑400℃，和高压情况下，最接近气瓶实际应力结构的设计方案，适用于高温条件下复合材料层受理分析设计方案的制定，不仅限于聚酰亚胺碳纤维复合材料，也适应于其它高强度纤维连接材料。

技术领域

本发明涉及一种耐高温高压碳纤维聚酰亚胺复合材料气瓶技术领域。

背景技术

目前，国内外在军用火箭、导弹、飞机以及民用汽车、天然气储存压力容器等方面已经广泛应用了复合材料气瓶，随着军用高结构效率、高飞行马赫导弹、飞行器的不断发展，复合材料气瓶使用环境条件也随之提高，耐高温、高承载复合材料气瓶已经成了航空航天领域气瓶发展的一种趋势。

目前国内外广泛采用的复合材料气瓶结构为金属内衬+复合材料缠绕层的方案，因该复合材料气瓶缠绕层主要采用环氧树脂体系，复合材料气瓶最高使用温度收环氧树脂体系屋里耐热属性限制，一般不会超过250℃，于是导致环氧树脂体系复合材料气瓶无法满足更高的环境使用温度要求。

聚酰亚胺耐热温度最高可达600℃以上，长期使用温度范围在200～500℃，是国际上通用的耐高温、高承载结构的主体材料。在目前的发展现状下，碳纤维聚酰亚胺复合材料越来越多的用于高压气瓶，如专利申请2017105985041中公开的瓶体结构，瓶体包括金属内衬和金属内衬外缠绕的复合材料外壳，其中复合材料外壳为碳纤维材料粘附聚酰亚胺胶液缠绕在金属内衬并高温固化成型的。但是由于聚酰亚胺的玻璃化转变温度、横向及纵向平均线胀系数、热导率等性能与以往完全不同，无法套用，而且根据气瓶形状的不同，缠绕层的厚度分布也会导致力学性能的不同。为了满足高温高压的工作环境要求，同时也满足轻量化的设计要求，合理的缠绕形状及厚度分布，是需要全新的设计方案。

发明内容

本发明所解决的技术问题是提出一种耐高温高压碳纤维聚酰亚胺复合材料气瓶设计方法，解决金属内衬和复合材料层热膨胀应变相差较大导致的复合材料气瓶实际承压能力减低的问题，以实现环境温度在250℃-400℃条件时复合材料气瓶的应用。

本发明采用的技术方案是一种耐高温高压碳纤维聚酰亚胺复合材料气瓶设计方法，包括以下步骤：

第一步，聚酰亚胺作为碳纤维浸渍树脂，并测试其以下性能，玻璃化转变温度、密度、450-550℃温域内的比热容、热导率、单向板RT～500℃时横向平均线胀系数、单向板RT～500℃时纵向平均线胀系数、5％热失重温度、500℃空气中1800s热失重，作出记录用于有限元分析；

第二步，设定金属内衬尺寸，计算碳纤维聚酰亚胺复合材料层和聚酰亚胺高温应变补偿层；气瓶包括薄壁筒身段和前后封头段，封头采用内、外型面双椭圆设计，外椭圆截面曲线C1和内椭圆截面曲线C2，

曲线C1的公式为：

其中：

a_i为曲线C1上任意一点横坐标值；

b_i为曲线C1上任意一点纵坐标值；

X₁为外椭圆短轴长度值；

Y₁为外椭圆长轴长度值。

曲线2的椭圆方程式为公式：

其中：

c_i为曲线C2上任意一点横坐标值；