金属内衬复合材料高压气瓶研制技术.pdf

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1、复合材料加工2013年2月第1期金属内衬复合材料高压气瓶研制技术王祥龙程彬刘志栋（兰州空间技术物理研究所，兰州730000）摘要：介绍了纤维缠绕金属内衬压力容器的工艺特点、性能优势和爆破前先泄漏(LBB)的安全失效模式，以及一般设计原则、材料和工艺要求。以某型号航天器携带的高压气瓶为例，详细阐述了复合材料高压气瓶的研制情况。关键词：复合材料高压气瓶；金属内衬；结构设计TheTechniquestoDeveloptheCompositeHigh-pressureVesselwithMetallinerWangXianglongChengBinLiuZhidong(Lan

2、zhouInstituteofPhysics,Lanzhou730000)Abstract：Thetechniquecharacteristics,performancesandsafetyfailuremodeofleakagebeforeburstforfilamentwoundpressurevesselwithmetallinerswereintroducedinthispaper.Thegeneralprinciple,materialandtechnologyrequirementindesignforthevesselwerealsopresented.

3、ThispapertakethecompositepressureVesselasexamplewhichiscarriedbyspacecraft,describethestructuredesignandresearchoftheCompositePressureVesselappliancesindetail.Keywords：compositepressurevessel；metalliner；structuredesign1引言各舱段中的高压气瓶都采用纤维缠绕复合材料高压[1]气瓶。近年来，高性能的复合材料高压气瓶在我国高压气瓶作为高压气体介质的贮存设备，在

4、各类航天器上也得到了广泛使用。本文以某型号用复合材航天器系统中都有着相当广泛的应用。与金属气瓶中料高压气瓶为研究背景，详细阐述了复合材料高压气质量效率最高的钛合金气瓶相比，采用高性能碳纤维瓶研制技术。缠绕的复合材料气瓶可节省重量约20%～50%左右，而且气瓶工作压力越高，减重效果越明显。并且气瓶2设计指标的可靠性高，“爆破前先泄漏”（LBB）的失效模式安全。国外航天技术先进国家在20世纪60年代末期气瓶容积：≥30L；就已经开始了复合材料压力容器在空间系统中的应工作介质：氦气；用，主要是玻璃纤维和凯夫拉纤维缠绕的复合材料气额定工作压力：60MPa（20℃下）；瓶，到了

5、80年代中期以后，随着高性能碳纤维制造气瓶重量：≤18.5kg（不含工作介质）；工艺的日趋成熟和稳定，复合材料压力容器在国外空强度试验压力：90MPa；间系统中的应用已非常广泛，许多著名的卫星平台，爆破压力：≥150MPa；+-73如HS-601、HS-702、Eurostars-2000以及国际空间站外漏率：工作压力下，不大于1.0×10Pa·m/s；作者简介：王祥龙（1976-），硕士，机械设计及其自动化专业；研究方向：航天压力容器设计与试验。收稿日期：2012-10-2424复合材料加工航天制造技术疲劳次数：额定工况下，用水压反复加排次数不合金）及Inconel

6、合金（Ni-Cr合金）等。可根据以下[2]小于100次。特点进行选择：a.密度低，比屈服强度和比极限强度高；3气瓶设计b.与工作介质相容性好；c.低周疲劳特性和高周疲劳特性好；复合材料气瓶由气瓶内衬和复合层两部分组成。d.抗裂纹增长性能好,以保证寿命；内衬的功能主要是包容贮存介质，防止介质泄漏；作e.焊接性能好；为缠绕芯模,并提供对外接口和界面；在纤维增强型f.加工、成型性能好；复合材料气瓶中承担部分内压载荷。复合层的功能主g.抗腐蚀性好。要是承担气瓶的内压载荷。综合以上因素，本次复合材料气瓶设计中，内衬3.1气瓶内衬设计材料选用工业纯钛，其中柱段和封头采用塑性较好的

7、通常可作为复合材料压力容器内衬材料的金属TA1，接头采用具有一定塑性，并且强度较高的TA3。有铝合金、不锈钢、钛及钛合金、Monel合金（Ni-Cu复合材料高压气瓶内衬材料参数见表1。表1复合材料高压气瓶内衬材料参数-3材料名称拉伸强度/MPa屈服强度/MPa弹性模量/GPa密度/kg·m延伸率δ5/%TA13702901054510≥30TA35404601074550≥203.2内衬结构设计气瓶接头应保证有足够的强度余量，在实际工况内衬由接头、气口端封头、筒段、密封端封头四下应处于弹性形变范围。接头壁厚和肩部厚度应满足部分组成，各部分通过焊接方式