一種航空用碳纖維環向纏繞筒的成型優化設計及工藝

李國寶

摘要：本項目采用“柱形不銹鋼金屬薄壁筒體+高強碳纖維環纏”結構方案，開發了不銹鋼碳纖維復合材料結構設計、參數優化及制備、內表面研磨等關鍵技術，項目產品具有強度高、耐高溫、抗沖擊、耐疲勞、耐腐蝕、耐介質吸附等優異的性能。

關鍵詞：碳纖維環向纏繞;碳纖維;不銹鋼薄壁內襯;無輥浸膠;內表面研磨

航空用碳纖維環向纏繞筒屬壓力容器范疇，主要應用于航空環境，在系統中對氣源裝置部件過濾器進行氣源過濾。在航空環境中對產品的應用要求十分特殊及苛刻，如產品輕量化需求、使用環境的高低溫交變影響、耐高頻振動及沖擊載荷考核、耐濕熱環境、耐鹽霧環境、耐霉菌環境、耐砂塵環境等要求。

1、總體方案設計

1.1 產品結構及功能

碳纖維環向纏繞筒由柱形不銹鋼金屬薄壁筒體，外部纏繞碳纖維組成，筒體內表面通過研磨技術拋光處理，實現內表面粗糙度Ra0.01。碳纖維環向纏繞筒可實現存儲28MPa高壓氣體，其結構示意圖見圖1所示。

1.2 產品主要技術要求

碳纖維環向纏繞筒主要技術參數見表1。

1.3 產品強度分析

1.3.1 不銹鋼薄壁內膽設計

內膽材料選用05Cr17Ni4Cu4Nb，其力學性能見表2。

1.3.2 金屬筒體設計壁厚

壁厚設計公式參照GB/T 5099.4-2017《鋼質無縫氣瓶 第4部分：不銹鋼無縫氣瓶》進行設計：

經計算得出，金屬筒體達到爆破壓力≥72.8MPa時，金屬筒體最小壁厚不應小于1.63mm。故，金屬筒體最小設計厚度≥1.7mm。

為了保證金屬筒體達到輕量化要求，金屬筒體設計重量不大于400g，對金屬筒體筒身部位進行減壁處理，按金屬筒體筒身部位承壓30MPa計算：

計算得出筒身部位最小壁厚不應小于0.71mm，考慮到加工時的壁厚尺寸控制及爆破余量，筒身部位設計壁厚取值為0.8mm。

金屬筒體筒身部位的設計壁厚取0.8mm，根據強度理論計算筒身部位可以滿足的最小爆破強度Pb1：

經計算可知，金屬筒體筒身部位取S=0.8mm時，金屬筒體承壓約34MPa且金屬筒體重量滿足不大于400g。同時，筒身S=0.8mm部位通過碳纖維環向纏繞進行補強，實現復合材料筒爆破壓力≥72.8MPa。

1.3工藝流程設計

不銹鋼內膽加工工藝：棒料自由鍛→粗車內外型→探傷→真空熱處理→精車螺紋及內腔→金屬筒體成檢。

環向纏繞工藝：鋼內膽外表面防腐→環向纏繞碳纖維→固化→修磨→自緊/水壓→吹干→精車螺紋及內腔→內壁研磨→鈍化→成品檢驗→疲勞試驗→爆破試驗。

2、產品關

參考文獻：鍵技術

2.1不銹鋼超薄壁無縫金屬筒體成型技術

碳纖維環向纏繞筒組成中不銹鋼金屬筒體為薄壁筒體，為了保證輕量化要求，筒身設計壁厚為0.8mm。在機械加工時，設計專用工裝夾具，控制車削壁厚差，并合理控制退火工藝消除機加應力影響，防止薄壁件變形，

2.2 碳纖維纏繞成型技術

在不銹鋼筒體上環向纏繞高強度碳纖維，在纏繞時張力控制采用張力器控制每股紗的張力，利用張力遞減的纏繞工藝，避免由于外層纖維的張力作用使內層出現松弛現象。采用無輥浸膠與施膠量控制降低纖維纏繞過程的損傷，提高生產效率和可靠性。

2.3 內表面研磨技術

碳纖維環向纏繞筒為過濾器部件，在工作中需嵌入芯軸。因此，保證螺紋與內腔同軸及控制內表面粗糙度極為重要。在機械加工中，表面粗糙度能達到Ra1.6，遠遠達不到本產品要求的粗糙度，因此實施研磨技術非常關鍵。

在碳纖維環向纏繞筒成型后，內腔裝入研磨料及研磨液，端口進行密封，利用離心研磨原理進行徑向往返運動可實現內表面粗糙度降低至Ra0.1。為了保證鏡面效果，需增加離心拋光，同樣采用拋光料及拋光液，利用離心拋光，可達到鏡面效果。

3、結論

碳纖維環向纏繞筒在研發之初，對金屬筒體進行受力計算及對復合材料層進行有限元分析，可以達到產品需求性能及輕量化要求。內表面研磨處理，實現內壁鏡面拋光新技術。可推動輕量化、可應對復雜環境的高壓復合材料容器產業化進程。

參考文獻：

[1]鄭傳祥，《復合材料壓力容器》，2006.5.

[2]ISO 11119-2：2013《復合氣瓶技術條件與試驗方法》.

[3]任明法，陳浩然.具有金屬內襯復合材料纏繞壓力容器的制造工藝全過程應力場的數值分析.

（作者單位：沈陽美茵聯合檢測有限公司）