CN114248477A - 塑料内衬高压气瓶的瓶身的成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种塑料内衬高压气瓶的瓶身的成型方法，包括：成型塑料内衬；成型复合材料层：向塑料内衬中充压缩气体，将由复合材料制成的纱片以多层缠绕铺层的方式包裹在塑料内衬外部形成复合材料层；成型复合材料层包括：根据设定的每层缠绕铺层的缠绕参数，计算得到每层缠绕铺层对塑料内衬产生的径向背压；对所有缠绕铺层的径向背压进行加和得到所有缠绕铺层对塑料内衬产生的径向背压的总和，计为总缠绕径向背压；计算总缠绕径向背压与塑料内衬的临界失稳应力的差值，得到需要向塑料内衬内部充气的总充气压力保证值；对比总充气压力保证值与塑料内衬的极限变形内压，根据对比结果确定充气方式。本发明可避免塑料内衬的变形，保证气瓶质量。

Description

塑料内衬高压气瓶的瓶身的成型方法

技术领域

本发明涉及储能设备制造技术领域，特别涉及一种塑料内衬高压气瓶的瓶身的成型方法。

背景技术

对于氢燃料电池车来说，高压力、低重量、高储量的储氢瓶组一直是追求的目标。塑料内衬高压气瓶也称为Ⅳ型瓶，其主要包括塑料内衬和缠绕包裹在塑料内衬外部的复合材料层。Ⅳ型瓶由于其采用了非金属的塑料内衬，减轻了气瓶自重，从而具有较高的储氢密度。随着氢燃料电池车行业的发展，Ⅳ型瓶逐渐成为高压储氢容器领域的研究热点。

在Ⅳ型瓶中，塑料内衬不承受载荷，载荷完全由复合材料层来承受。复合材料层一般由增强材料(如玻璃纤维、碳纤维)和树脂(如不饱和树脂、环氧树脂)通过缠绕包裹在塑料内衬外部，缠绕时必须施加一定的张力，但是塑料内衬的刚性比较低，缠绕时在缠绕张力的影响下塑料内衬会变形失稳，从而严重影响产品性能如爆破压力、疲劳寿命等。为了提高塑料内衬的刚度，较佳在缠绕形成复合材料层时向塑料内衬内充压缩空气。在已知的一些技术中充气压力大小往往凭经验确定，充气方式也比较随意，这很容易造成缠绕充气工艺不合理，进而导致产品性能不稳定。

发明内容

本发明的目的在于提供一种塑料内衬高压气瓶的瓶身的成型方法，以解决现有技术中在成型复合材料层时充气比较随意容易造成产品性能不稳定的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种塑料内衬高压气瓶的瓶身的成型方法，包括：成型塑料内衬；成型复合材料层：向所述塑料内衬中充压缩气体，将由复合材料制成的纱片以多层缠绕铺层的方式包裹在塑料内衬外部形成复合材料层；所述成型复合材料层包括：根据设定的每层缠绕铺层的缠绕参数，计算得到每层缠绕铺层对塑料内衬产生的径向背压，其中，所述缠绕参数包括缠绕角、缠绕张力、纱片宽度以及缠绕层数；对所有缠绕铺层的径向背压进行加和得到所有缠绕铺层对塑料内衬产生的径向背压的总和，计为总缠绕径向背压；计算所述总缠绕径向背压与塑料内衬的临界失稳应力的差值，得到需要向塑料内衬内部充气的总充气压力保证值；对比所述总充气压力保证值与塑料内衬的极限变形内压；在所述总充气压力保证值小于所述极限变形内压时，将塑料内衬内部一次充气至总充气压力，将所有缠绕铺层逐层包裹在所述塑料内衬外部，其中总充气压力介于所述总充气保证值和所述极限变形内压之间；在所述总充气压力保证值大于或等于所述极限变形内压时，对塑料内衬分次充气，并依据分次充气的压力分阶段将多层缠绕铺层包裹在所述塑料内衬外部。

由上述技术方案可知，本发明至少具有如下优点和积极效果：本发明中，在设定好缠绕铺层的缠绕参数之后，先根据缠绕参数计算确定缠绕铺层对塑料内衬产生的径向背压，再对比总缠绕径向背压以及塑料内衬的临界失稳应力和极限变形内压，可以确定塑料内衬的总充气压力以及对塑料内衬的充气方式，从而保证在设置缠绕铺层时不会导致塑料内衬产生变形，进而保证塑料内衬高压气瓶产品的质量要求。

附图说明

图1是本发明实施例的塑料内衬高压气瓶的瓶身的成型方法的示意图。

图2是图1中成型复合材料层的具体步骤示意图。

图3是图1中塑料内衬高压气瓶在缠绕纱片时的结构简图。

图4是图3中纱片对塑料内衬施压的力学分析示意图。

附图标记说明如下：5、塑料内衬；51、筒身段；52、封头；6、金属瓶口；7、纱片。

具体实施方式

体现本发明特征与优点的典型实施方式将在以下的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的实施方式上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及图示在本质上是当作说明之用，而非用以限制本发明。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

本发明提供一种塑料内衬高压气瓶的瓶身的成型方法，该塑料内衬高压气瓶的瓶身大致包括塑料内衬和包裹在塑料内衬外部的复合材料层，在塑料内衬的两端通常设置金属瓶口与外界相通。该塑料内衬高压气瓶用于储存高压气体，例如氢气、天然气、压缩空气等。该塑料内衬高压气瓶具有较轻的自重，从而能够具有较高的储存密度。该塑料内衬高压气瓶能够作为车载瓶，安装在车辆上。

参阅图1，本实施例提供一种塑料内衬高压气瓶的瓶身的成型方法，其主要包括：

S10：成型塑料内衬。塑料内衬的材料为高分子热塑性材料，例如可以采用高密度聚乙烯(HDPE)、尼龙或改性尼龙(PA)等。塑料内衬可以通过注塑、吹塑、滚塑等方式成型。

S20：成型复合材料层。该步骤中，向塑料内衬中充压缩气体，将由复合材料制成的纱片以多层缠绕铺层的方式包裹在塑料内衬外部形成复合材料层。该复合材料可以为玻璃纤维、碳纤维等。纱片含浸树脂后根据设定的缠绕参数缠绕在塑料内衬的外部，而后随着树脂的固化形成为复合材料层，与塑料内衬结合为一体结构。树脂可以是不饱和树脂、环氧树脂等。

图3示意了塑料内衬高压气瓶在缠绕纱片时的结构简图。如图3所示，塑料内衬5包括呈圆筒状的筒身段51和位于筒身段51两端的封头52，但需要说明的是，塑料内衬5为一体成型的结构，筒身段51和封头52仅仅是根据形状来进行划分的。两个封头52的中央固定设置有金属瓶口6，金属瓶口6的结构及其与塑料内衬5的固定方式并非本发明的关注点，在此不做限定。

纱片7根据实际生产情况具有宽度b，纱片7在一定的缠绕张力F作用下以缠绕角α包裹在塑料内衬5外部。在同样的缠绕张力F和缠绕角α的条件下，单层纱片7在塑料内衬5外围沿塑料内衬5外周叠加缠绕多次而构成一层缠绕铺层。不同的缠绕铺层中，纱片7的缠绕角α可以相同也可以不同，缠绕张力F可以相同也可以不同。为了保证载荷承受能力，多层缠绕铺层通常会具有多种缠绕角α，不同缠绕铺层的缠绕张力F也可以根据情况进行合理设定。缠绕铺层的顺序以及每层缠绕铺层的具体缠绕参数可以根据工艺设计计算进行设定。

参阅图2，较佳地，成型复合材料层具体包括：

S21：根据设定的每层缠绕铺层的缠绕参数，计算得到每层缠绕铺层对塑料内衬产生的径向背压；其中，这些缠绕参数包括缠绕角α、缠绕张力F、纱片7宽度b以及缠绕层数。这里的缠绕层数即指上文所说的在同样的缠绕张力F和缠绕角α的条件下单层纱片7叠加缠绕的次数。

S22：对径向背压进行加和得到所有缠绕铺层对塑料内衬产生的径向背压的总和，计为总缠绕径向背压。

S23：计算总缠绕径向背压与塑料内衬的临界失稳应力的差值，得到需要向塑料内衬内部充气的总充气压力保证值。

S24：对比总充气压力保证值与塑料内衬的极限变形内压，根据对比结果确定充气方式；具体地，在总充气压力保证值小于极限变形内压时，将塑料内衬内部一次充气至总充气压力，再将所有缠绕铺层逐层包裹在所述塑料内衬外部，其中，总充气压力介于总充气保证值和极限变形内压之间；在总充气压力保证值大于或等于极限变形内压时，对塑料内衬分次充气，并依据分次充气的压力分阶段将多层缠绕铺层包裹在塑料内衬外部。

根据上述步骤，在设定好缠绕铺层的缠绕参数之后，先根据缠绕参数计算确定缠绕铺层对塑料内衬产生的径向背压，再对比总缠绕径向背压以及塑料内衬的临界失稳应力和极限变形内压，可以确定塑料内衬的总充气压力以及对塑料内衬的充气方式，从而保证在设置缠绕铺层时不会导致塑料内衬产生变形，进而保证塑料内衬高压气瓶产品的质量要求。

具体地，上述步骤S21中，缠绕铺层的径向背压采用下述公式计算，为便于表述，将该公式称为公式一：

式中，P_r为径向背压，F为缠绕张力，α为缠绕角，b为纱片7的宽度，m为纱片7的缠绕层数，R为塑料内衬5的筒身段51的半径。

结合图3和图4，上述公式一可以通过力学分析进行推导得到。单层纱片7包裹在塑料内衬5的外周时，缠绕张力F沿塑料内衬5周向的分力F×sinα会使塑料内衬5表面产生压应力，该压应力即为径向背压。根据微积分计算推导，单层纱片7所产生的径向背压等效于缠绕张力沿塑料内衬5周向的分力作用于纱片7在塑料内衬5中轴面的投影面的压强，即(2×F×sinα)/(2R×b/sinα)。由于纱片7厚度相比于塑料内衬5的筒身段51的半径R要小的多，采用上述公式一忽略了纱片7缠绕带来的厚度增量，直接将缠绕铺层的径向背压P_r计算为m层纱片7所产生的径向背压之和，计算更为简便。

依据上述步骤S22，同样忽略缠绕铺层的厚度，对每一层缠绕铺层的径向背压直接加和计算而得到总缠绕径向背压。相应地，总缠绕径向背压采用下述公式二计算得到：

式中，P_r总为总缠绕径向背压，α_i为第i层缠绕铺层的缠绕角，F_i为第i层缠绕铺层的缠绕张力，b_i为第i层缠绕铺层的纱片宽度，m_i为第i层缠绕铺层的纱片缠绕层数，R为塑料内衬的筒身段的半径，n为缠绕铺层的总层数。

在确定总缠绕径向背压P_r总之后，即可依据上述步骤S23得到总充气压力保证值。将塑料内衬的临界失稳应力以P_cr来表示，将总充气压力保证值以P_总充来表示，则可采用下述公式三计算得到总充气压力保证值：P_总充＝P_r总-P_cr。

其中，塑料内衬的临界失稳应力P_cr是指从塑料内衬外部施压导致塑料内衬失稳变形的最大外压。该临界失稳应力基于塑料内衬的材料属性和塑料内衬的尺寸确定。

如果总缠绕径向背压P_r总大于临界失稳应力P_cr，则说明缠绕铺层的设置会使塑料内衬产生变形，必须对塑料内衬进行充气提高塑料内衬刚度，确保缠绕过程不变形。并且对塑料内衬充气的总充气压力应当不小于总缠绕径向背压P_r总与临界失稳应力的差值即P_总充，以保证在缠绕完成所有的缠绕铺层之后塑料内衬不变形。

较佳地，临界失稳应力采用下述公式四计算：

式中，P_cr为临界失稳应力，E为塑料内衬的材料的拉伸模量，t为塑料内衬的厚度，L为塑料内衬的筒身段的长度，D为塑料内衬的筒身段的直径。

上述公式为简化后的短筒结构米塞斯失稳公式。本实施例中较佳将塑料内衬高压气瓶视为短筒结构，考虑了塑料内衬两端的封头对筒身段的加强作用，采用上述公式对临界失稳应力进行计算，简化了计算方法，更重要的是，采用该公式计算出的临界失稳应力更符合大多数塑料内衬高压气瓶的结构的受力特性。由此，以该公式计算的临界失稳应力作为计算塑料内衬充气压力的参考值，使得最终计算所得到的充气压力更准确，防止缠绕铺层在缠绕时造成塑料内衬失稳，从而利于提高塑料内衬高压气瓶产品质量的可靠性。

关于塑料内衬高压气瓶是否为短筒结构，可以基于图3所示意塑料内衬5的相关参数分别计算塑料内衬5的临界长度和筒身段有效长度，两者对比进行验证。计算方式如下述公式五：

式中：L_cr为临界长度，L_u为筒身段51有效长度，h为封头52高度，D为筒身段51的直径，L为筒身段51的长度，t为塑料内衬5的厚度。

如果L_cr＞L_u，即说明塑料内衬高压气瓶为短筒结构。

基于上文所述的步骤S24，通过对比总充气压力保证值P_总充与塑料内衬的极限变形内压，根据对比结果即可确定充气方式，即确定需要对塑料内衬进行一次性充气还是需要分为多次充气。

其中，塑料内衬因采用塑料材质，强度较低，塑料内衬内部的压力会对塑料内衬产生向外的扩张变形即形成应变，为保证产品性能，较佳将塑料内衬的变形控制在一定的程度内。塑料内衬的极限变形内压即指因塑料内衬内部的压力导致塑料内衬变形超过设定的应变阈值的最大压力。该极限变形内压由塑料内衬的材料属性和塑料内衬的尺寸确定。

较佳地，极限变形内压采用下述公式六计算：

式中，P_b为极限变形内压，t为塑料内衬的厚度，D为塑料内衬的筒身段的直径，σ_b为塑料内衬的材料在设定的应变阈值时的拉伸强度。在一些实施例中，较佳将应变阈值设定为不超过1％，即控制塑料内衬具有较小的变形，便于提高产品的质量。

该公式六主要考虑了塑料内衬的筒身段的环向应力，基于塑料内衬的产品结构特点，其环向应力是经向应力的两倍，也就是说在其内部压力过大时更容易产生环向的变形，因此，按该公式六计算的极限变形内压P_b能够表征塑料内衬的实际受内压力变形的特性。

在未进行纱片的缠绕前，应该保证塑料内衬内部的压力也即初始充气压力小于该极限变形内压P_b，以避免充气造成塑料内衬变形超过设定范围。

特别需要说明的是，由于初始充气压力小于该极限变形内压P_b，相应地该初始充气压力将使得塑料内衬的材料拉伸应变小于上述设定的应变阈值。例如，塑料内衬的筒身段的直径D为500mm时，按此处所设定的不超过1％的应变阈值，本方案对初始充气压力的控制可以使塑料内衬的筒身段向外扩张的变形量控制为不超过5mm。

塑料内衬的材料的拉伸屈服应变阈值通常为4％～5％，而本方案将应变阈值设定为不超过1％，远小于塑料内衬材料的拉伸屈服应变阈值，相较于按拉伸屈服应变阈值4％～5％来控制塑料内衬的变形会使变形量较大而导致出现产品质量缺陷的问题，本方案将应变阈值设定为不超过1％可以控制塑料内衬具有相当小的变形量，保证塑料内衬高压气瓶产品的质量。

如果前述通过公式三计算得到总充气压力保证值P_总充小于极限变形内压P_b，即说明将塑料内衬内部一次充气至总充气压力保证值P_总充也不会造成塑料内衬变形过大，因此，这种情况下，可以将塑料内衬内部一次充气至总充气压力，其中，总充气压力大于或等于总充气压力保证值，而后依次将所有缠绕铺层逐层包裹在塑料内衬外部，缠绕过程中无需再次充气。可以理解的是，由于此时的总充气压力相当于是初始充气压力，则总充气压力也应当小于极限变形内压P_b。即：当总充气压力保证值P_总充小于极限变形内压P_b时，塑料内衬实际的总充气压力可以在介于总充气压力保证值P_总充和极限变形内压P_b之间取值。

在另一种情形下，如果总充气压力保证值P_总充大于或等于极限变形内压P_b，由于塑料内衬的初始充气压力小于极限变形内压P_b，则相应地说明初始充气压力不能满足整个缠绕过程要求，需要分次进行充气，同时分阶段进行缠绕铺层的设置。

这种情况下，可以在一次充气后缠绕一层或多层缠绕铺层，并且依据因缠绕铺层的叠加而对塑料内衬产生的径向背压的变化适时进行下一次充气。该过程可以这么理解：首先将塑料内衬的内部进行首次充气为初始充气压力，进行若干层缠绕铺层的缠绕设置，然后再进行第二次充气，接着再进行若干层缠绕铺层的缠绕设置。如有必要，可以根据实际情况交替进行充气和设置缠绕铺层的工作，直至最终充气到不小于总充气压力保证值P_总充的总充气压力，并完成所有缠绕铺层的缠绕包裹。

较佳地，在总充气压力保证值P_总充大于或等于极限变形内压P_b时，还将每层缠绕铺层的径向背压进行逐层加和计算，得到依次缠绕各层缠绕铺层时对塑料内衬产生的分层缠绕背压。在缠绕各层缠绕铺层时，使塑料内衬内部已充气的压力大于对应的分层缠绕背压与临界失稳应力P_cr的差值。

将分层缠绕背压与临界失稳应力P_cr的差值定义为充气压力保证值，充气压力保证值采用以下公式七计算：

式中，

为缠绕第χ层缠绕铺层时的充气压力保证值，α_i为第i层缠绕铺层的缠绕角，F_i为第i层缠绕铺层的缠绕张力，b_i为第i层缠绕铺层的纱片宽度，m_i为第i层缠绕铺层的纱片缠绕层数，R为塑料内衬的筒身段的半径，P_cr为临界失稳应力。

将公式二和公式三结合起来与公式七对比可知，实际上，当χ为缠绕铺层的总层数n时，按照公式七计算得到的

实际上也是总充气压力保证值。

当

时，表示在缠绕该第χ层时可以不对塑料内衬充气。

当

时，即代表在缠绕该第χ层之前必须使塑料内衬内部已充气的压力大于

其中，在缠绕该第χ层之前塑料内衬内部的压力可以在大于充气压力保证值

的基础上结合实际工艺条件来进行设定，例如可以考虑充压缩气体的气源压力、充气设备的控制精度等等因素进行设定。

较佳地，在对塑料内衬分次充气时，使每一次对塑料内衬内部的充气压力小于已缠绕的缠绕铺层对应的分层缠绕背压与极限变形内压P_b之和。在该条件下，充气压力不会使塑料内衬产生过大的变形，减少对已缠绕的缠绕铺层的影响。

但需要说明的是，由于缠绕铺层是采用如碳纤维、玻璃纤维等复合材料制成的，缠绕铺层的材料具有较高的强度，缠绕在塑料内衬上的缠绕铺层会对塑料内衬产生较大的刚度加强作用。因此，在缠绕了缠绕铺层之后再对塑料内衬进行充气时，即便充气压力较大一般也不会造成塑料内衬的严重变形。理论上而言，在需要对塑料内衬分次充气时，除了初始充气压力需要小于极限变形内压P_b之外，从第二次充气开始，实际的充气压力的上限值可以不做限定。

在实际应用时，可以根据设定的缠绕铺层的顺序，计算出各层缠绕铺层的充气压力保证值进行列表，再结合极限变形内压P_b和临界失稳应力P_cr来选取充气压力和充气时机。

以下结合一具体例子进行介绍。

某公司生产的一塑料内衬高压气瓶，其塑料内衬采用高密度聚乙烯(HDPE)吹塑成型，复合材料层的材料采用碳纤维加环氧树脂。

塑料内衬的尺寸参数以及其材料的相关属性如表1所示，复合材料层的缠绕铺层顺序及缠绕参数如表2所示。

表1：塑料内衬的尺寸参数以及其材料的相关属性参数。

项目	参数符号	数据	单位
				筒身段直径	D	540	mm
塑料内衬厚度	t	6.5	mm
				筒身段长度	L	1775	mm
封头高度	h	165	mm
				拉伸模量	E	920	MPa
1％应变时拉伸强度	σ<sub>b</sub>	8	MPa

表2：缠绕铺层顺序及缠绕参数。

基于上述表1和表2的相关参数，即可计算确定塑料内衬的临界失稳应力和极限变形内压，并可根据前述方法中步骤S20确定充气方式和充气压力后进行复合材料层的成型。

第一步：塑料内衬的临界失稳应力计算。

将表1中的相关数据代入公式五验证塑料内衬的结构形式。

计算结果表明L_cr＞L_u，从而可以利用公式四计算临界失稳应力，如下：

第二步：塑料内衬的极限变形内压计算。

将表1中的相关数据代入公式六进行得到极限变形内压如下：

第三步：参照前述成型方法的步骤S21和步骤S22进行径向背压和总缠绕径向背压的计算。

通过表1和表2的相关数据，通过公式一依次计算每一层缠绕铺层对塑料内衬产生的径向背压。基于上述表2的缠绕参数，将计算得到的各层缠绕铺层的径向背压对应列入下表3中。

表3：缠绕铺层顺序、缠绕参数及对应的径向背压。

按照表3的数据或者通过公式二计算得到总缠绕径向背压P_r总＝0.352978MPa。

第四步：充气压力计算。

1、在缠绕之前，塑料内衬的初始充气压力P_初＜P_b＝0.1926MPa。

2、根据步骤S23计算总充气压力保证值如下：

P_总充＝P_r总-P_cr＝0.352978MPa-0.0115234MPa＝0.3414546MPa。

由于P_总充＞P_b，说明需要对塑料内衬分次充气。

3、通过公式七计算缠绕各层缠绕铺层的充气压力保证值，将各层的充气压力保证值与表3合并列入下表4中，其中，径向背压的数据经四舍五入处理为保留小数点后四位，充气压力保证值的数据经四舍五入处理为保留小数点后三位。

表4：缠绕铺层顺序、缠绕参数及对应的径向背压、充气压力保证值。

第五步：确定充气时机和充气压力，并配合进行缠绕铺层的设置。

基于上文所述的原则，在缠绕各层缠绕铺层时，使塑料内衬内部已充气的压力大于对应的充气压力保证值。在对塑料内衬分次充气时，较佳使每一次对塑料内衬内部的充气压力小于已缠绕的缠绕铺层对应的分层缠绕背压与极限变形内压P_b之和。

结合表4的充气压力保证值可知，在缠绕第一层缠绕铺层之前，可以对塑料内衬充气也可以不充气，如果进行充气，由于此时还未设置缠绕铺层，已缠绕的缠绕铺层对应的分层缠绕背压为0，则充气压力小于极限变形内压P_b＝0.1926MPa即可。

在缠绕第二层缠绕铺层之前必须对塑料内衬充气，且在缠绕第二层缠绕铺层之前塑料内衬内部已充气的压力应大于0.020MPa，同时压力还较佳小于已缠绕的第一层缠绕铺层的径向背压0.0016MPa与极限变形内压P_b＝0.1926MPa之和，即小于0.1942MPa。

在缠绕第三层缠绕铺层之前，已缠绕的缠绕铺层对应的分层缠绕背压即为第一层缠绕铺层的径向背压与第二层缠绕铺层的径向背压之和，此时，塑料内衬内部已充气的压力应大于0.044MPa，同时较佳小于此时的分层缠绕背压及极限变形内压P_b之和，即0.0016+0.0301+0.1926＝0.2243MPa。

依次类推，每一层缠绕铺层缠绕之前均使塑料内衬内部已充气的压力大于该层对应的充气压力保证值即可。

在确定充气时机时，可以根据实际设备情况及工艺要求进行灵活设定，可以是每缠绕一层缠绕铺层即进行充气调整塑料内衬内部的压力，也可以是在一次充气后缠绕多层缠绕铺层之后再进行下一次充气。

例如上述例子中，可以采用三次充气的方式。

第一次，在缠绕前充一次，充气压力取为0.12MPa，该压力小于极限变形内压P_b，同时大于前4层缠绕铺层的充气压力保证值，则第一次充气后可以逐层缠绕前4层缠绕铺层。

第二次，在第4层缠绕铺层缠绕完之后充气，此时的已缠绕的缠绕铺层对应的分层缠绕背压与极限变形内压P_b之和即为前4层缠绕铺层的径向背压之和再加上极限变形内压P_b，即0.0016+0.0301+0.0242+0.0655+0.1926＝0.314MPa，将本次充气压力取为0.25MPa，小于0.314MPa，同时该充气压力大于第8层缠绕铺层的充气压力保证值，并小于第9层缠绕铺层的充气压力保证值，则本次充气后可以逐层缠绕至完成第8层缠绕铺层。

第三次，在第8层缠绕铺层缠绕完之后充气，此时的已缠绕的缠绕铺层对应的分层缠绕背压与极限变形内压P_b之和即为前8层缠绕铺层的径向背压之和再加上极限变形内压P_b，从表中数据计算为0.4156MPa，将第三次充气压力取为0.35MPa，小于0.4156MPa，该压力大于总充气压力保证值P_总充，在本次充气之后可以完成所有缠绕铺层的缠绕。

虽然已参照几个典型实施方式描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施方式不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种塑料内衬高压气瓶的瓶身的成型方法，包括：

成型塑料内衬；

成型复合材料层：向所述塑料内衬中充压缩气体，将由复合材料制成的纱片以多层缠绕铺层的方式包裹在塑料内衬外部形成复合材料层；

其特征在于，所述成型复合材料层包括：

根据设定的每层缠绕铺层的缠绕参数，计算得到每层缠绕铺层对塑料内衬产生的径向背压，其中，所述缠绕参数包括缠绕角、缠绕张力、纱片宽度以及缠绕层数；

对所有缠绕铺层的径向背压进行加和得到所有缠绕铺层对塑料内衬产生的径向背压的总和，计为总缠绕径向背压；

计算所述总缠绕径向背压与塑料内衬的临界失稳应力的差值，得到需要向塑料内衬内部充气的总充气压力保证值；

对比所述总充气压力保证值与塑料内衬的极限变形内压；在所述总充气压力保证值小于所述极限变形内压时，将塑料内衬内部一次充气至总充气压力，将所有缠绕铺层逐层包裹在所述塑料内衬外部，其中总充气压力介于所述总充气保证值和所述极限变形内压之间；在所述总充气压力保证值大于或等于所述极限变形内压时，对塑料内衬分次充气，并依据分次充气的压力分阶段将多层缠绕铺层包裹在所述塑料内衬外部。

2.根据权利要求1所述的成型方法，其特征在于，所述径向背压采用下述公式计算：

式中，P_r为径向背压，F为缠绕张力，α为缠绕角，b为纱片宽度，m为纱片的缠绕层数，R为塑料内衬的筒身段的半径。

3.根据权利要求2所述的成型方法，其特征在于，所述总缠绕径向背压采用以下公式计算：

式中，P_r总为总缠绕径向背压，α_i为第i层缠绕铺层的缠绕角，F_i为第i层缠绕铺层的缠绕张力，b_i为第i层缠绕铺层的纱片宽度，m_i为第i层缠绕铺层的纱片的缠绕层数，R为塑料内衬的筒身段的半径，n为缠绕铺层的总层数。

4.根据权利要求1所述的成型方法，其特征在于，所述临界失稳应力和所述极限变形内压由所述塑料内衬的材料属性和所述塑料内衬的尺寸确定。

5.根据权利要求4所述的成型方法，其特征在于，所述临界失稳应力采用以下公式计算：

式中，P_cr为临界失稳应力，E为塑料内衬的材料的拉伸模量，t为塑料内衬的厚度，L为塑料内衬的筒身段的长度，D为塑料内衬的筒身段的直径。

6.根据权利要求4所述的成型方法，其特征在于，所述极限变形内压采用以下公式计算：

式中，P_b为极限变形内压，t为塑料内衬的厚度，D为塑料内衬的筒身段的直径，σ_b为塑料内衬的材料在设定的应变阈值时的拉伸强度。

7.根据权利要求6所述的成型方法，其特征在于，所述应变阈值不超过1％。

8.根据权利要求1-7任一项所述的成型方法，其特征在于，在所述总充气压力保证值大于或等于所述极限变形内压时，还将每层缠绕铺层的径向背压进行逐层加和计算，得到依次缠绕各层缠绕铺层时对塑料内衬产生的分层缠绕背压；

在缠绕各层缠绕铺层时，使塑料内衬内部已充气的压力大于对应的分层缠绕背压与所述临界失稳应力的差值。

9.根据权利要求8所述的成型方法，其特征在于，将所述分层缠绕背压与所述临界失稳应力的差值定义为充气压力保证值，所述充气压力保证值采用以下公式计算：

式中，P_充χ为缠绕第χ层缠绕铺层时的充气压力保证值，α_i为第i层缠绕铺层的缠绕角，F_i为第i层缠绕铺层的缠绕张力，b_i为第i层缠绕铺层的纱片宽度，m_i为第i层缠绕铺层的纱片的缠绕层数，R为塑料内衬的筒身段的半径，P_cr为临界失稳应力。

10.根据权利要求8所述的成型方法，其特征在于，在对塑料内衬分次充气时，使每一次对塑料内衬内部的充气压力小于已缠绕的缠绕铺层对应的分层缠绕背压与所述极限变形内压之和。

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