中国三江航天集团江北厂黄泽勇陈刚杨现伟择了合适的增强材料、树脂配方及成型工艺方案，优化调整了预浸纱工艺参数、缠绕工艺参数，试制的产品成功地经过了试验考核。
环形压力容器是为满足航天武器系统中对容器特殊的形状要求而出现的。传统的全金属压力容器发展比较成熟，但因其重量大，减少了武器系统的再入飞行距离，已难以满足型号的发展要求，逐步被复合材料压力容器所取代。复合材料压力容器分为橡胶内衬和金属内衬压力容器。橡胶内衬的优势是成本低；能承受很大的弹性变形，内衬与复合层之间有良好变形协调性。其缺点是内衬需要芯模支撑，取掉芯模后内衬容易残留杂质；存在气体缓慢渗漏及耐老化性能差等问题。金属内衬优势有：可有效防止气体渗漏；内衬在很大的温度范围内都很稳定；缠绕无需芯模，工艺简单；不存在老化问题等。其缺点是金属内衬的弹性变形范围较小，与复合层的匹配性能要求较高。
本文采用TC2钛合金材料作为内衬，缠绕kevlar-49芳纶纤维增强B621环氧树脂组成复合层，并对此环形压力容器进行结构设计和成型工艺研究。
2结构设计树脂的拉伸强度极限和拉伸模量是纤维的2% 5%，压力容器爆破时，树脂几乎全部开裂，已起不到加强作用，此时壳体完全由纤维网络结构承受内压。本文借鉴国内外对纤维缠绕薄壁结构进行分析计算比较成熟的理论方法一网络理论进行分析。
2.1薄壁圆环壳的薄膜内力设圆环截面圆半径为几圆环中心半径为6，在均压强尸作用下，圆环壳的薄膜内力见，它们分别是截面轴向应力分量和环向应力分量吻。
圆环形压力容器薄膜应力为：轴向内力：上述各：N环形截面轴向力；N环形截面环向力；x形成圆断面上任意点的旋转半径；计算表明：D处应力最大，C处最小，D处的应力是C处的1.13倍。但由于缠绕纤维层后，在D、C两处纤维用量相等，在单位长度内，D处的纤维用量比C处大，计算可知D处的纤维厚度是C处的1.22倍。综合以上两个因素后，C处是薄弱环节，强度计算以C处为准。
2.2线型分析术。
环形压力容器与柱形压力容器在线型设计上有所不同，为简化计算，将环形压力容器作为柱形压力容器的一种变异结构来处理，本文参照柱形压力容器线型设计的成熟经验，设计了环形压力容器线型。
由于环形压力容器特殊的结构形式，为实现缠绕中纤维纱不架桥、不滑线，缠绕角需大于某一固定值，该值由实际缠绕试验确定。该值通常大于单一螺旋缠绕的平衡缠绕角，因此，在内力计算时，采用螺旋缠绕加在外环大圆处进行纵向铺放的方式。用和2分别表示螺旋缠绕组和纵向铺放组，其网络意义下的平衡方程为：―螺旋缠绕层数；一纵向铺放层数；一股纱强力；一螺旋缠绕排纱密度；纵向铺放排纱密度；缠绕角。
2.3缠绕层数的确定在实际计算时，压力容器外形尺寸及爆破压力由设计确定，6=0.5m、A=0.06m、设计爆破压力为60MPa，又因实际爆破压力必须大于设计值，计算取1.3的安全系数，则户取78MPa；而增强材料、缠绕角及排纱密度则根据试验情况预先给定。增强材料选用kevlar-49芳纶纤维，其计算时股纱强力按经验取单丝强力值313N的0.6倍，缠绕角选择60°，螺旋缠绕排纱密度取1100股/m层，纵向铺放排纱密度取1100股/m层。将已知数据代入以上公式，求得螺旋缠绕层数为28层，纵向铺放层数为7层。
3缠绕成型工艺研究脂，在一定环境条件下晾干制成预浸纱，检验合格后，收卷绕制成纱锭，再进行缠绕的干法缠绕工艺。
3.1预浸纱成型工艺研究预浸纱是缠绕环形压力容器的中间材料，对容器性能起着十分重要的作用。预浸纱的主要质量要求是树脂含量适宜、均、稳定；表面平整，厚度、宽度尺寸一致；绕制成纱锭后预浸纱之间不能发生粘接，缠绕时不粘导丝嘴、不分叉、柔禚性好、没有明显起毛现象。
根据上述预浸纱的性能质量要求，工艺试验重点研究了影响预浸纱树脂含量的因素与最终控制范围、影响预浸纱粘性的因素以及判定预浸纱合格的方法等。
3.1.1树脂含量对产品性能的影响预浸纱的树脂含量直接影响复合材料的性能和强度转化，研究最佳的基体含量范围并使其均、稳定是工艺研究必须解决的首要问题。表1是使用kevlar-49浸渍B621环氧树脂制备预浸纱进行干法缠绕NOL环的力学性能试验数据。
表1树脂含量对NOL环力学性能的影响树脂含量/%（质量分数）NOL环拉伸强度/MPa剪切强度/MPa树脂含量过高或过低，对压力容器的综合性能均不好。树脂含量过高时，容器中纤维体积分数降低，容器消极质量增加，制品复合强度降低；树脂含量过低，制品孔隙率增加，使制品耐老化性能及剪切强度下降。从表1试验数据可以看出，拉伸强度随着树脂含量的增加而降低，剪切强度却相反，拉伸强度与剪切强度构成一对矛盾体，只能综合缠绕制品的结构和性能，来确定树脂含量的范围。结合产品的爆破试验结果，树脂含量控制在30%35%时，纤维能获得较高的强度转化率。
3.1.2影响预浸纱树脂含量的因素预浸纱质量的一个主要指标是树脂含量，要制备树脂含量分布均、稳定的预浸纱并不容易。除设备和操作工艺因素外，胶液浓度、纤维张力、运行线速度、浸渍时间、胶槽温度、环境条件及导辊系统等因素都直接影响到预浸纱树脂基体的含量。
3.1.2.1胶液浓度对树脂含量的影响影响预浸纱树脂含量的主要因素是胶液浓度，树脂含量随着胶液浓度的变化而变化，而胶液浓度受环境温度、存放时间、溶剂挥发等因素的影响。
随着胶液浓度增大，制备的预浸纱树脂含量逐渐增加，胶液浓度是控制预浸纱含胶量的关键指标。要制备不同树脂含量的预浸纱，在其它工艺条件基本不变的条件下，只要改变胶液浓度即可。因B621树脂体系为固态，在制备预浸纱时需使用溶剂溶解后浸胶。在选用溶剂的试验中，使用单组分的丙酮或无水乙醇作为溶剂，对B621树脂体系的溶解性均未取得满意的效果。当树脂完全溶解时，胶液中树脂含量过低，纤维浸胶后挂胶量太少，无法满足使用要求。通过试验，将丙酮与无水乙醇按照9：1的比例混合后，B621树脂体系的溶解性得到了很大提高。试验表明：当树脂与混合溶液按照40：70的比例进行溶解后，制备的预浸纱树脂含量能够控制3.1.2.2环境温度及制备时间对预浸纱树脂含量的影响由于丙酮沸点较低，随着温度升高，树脂胶液中溶剂挥发加快；同时，随着预浸纱制备时间的延长，胶槽中溶剂含量越来越低，树脂浓度增大。实验结果表明：在环境温度为30C的条件下制备预浸纱30mm后，胶液树脂含量增加了3%，制备的预浸纱增加了约5%.因此，在制备预浸纱过程中必须严格控制胶液树脂含量，以保证预浸纱树脂含量稳定。
为了保持胶液树脂含量的稳定，减少溶剂挥发量，采取的主要措施有：控制环境温度，将开式浸胶槽更换为密封浸胶槽，同时根据试验中测得的溶剂挥发量，定时向胶槽补充新鲜胶液并添加定量丙酮。通过以上几项措施，有效地控制了胶液中树脂含量波动范围，预浸纱树脂含量得到有效控制。3.1.2.3浸胶张力对预浸纱树脂含量的影响为了在纤维浸胶时充分浸透，纤维张力愈小，愈易于浸透，预浸纱树脂就愈大；浸胶张力增大，树脂对纤维浸透性变差，树脂含量降低。对浸胶张力的研究，既要保证纤维浸透、树脂含量均，又要满足浸胶工艺的要求。通过试验验证，纤维浸胶张力控制在0.50.7kg时，制备的预浸纱质量处于最佳状态。
3.1.2.4刮胶辊对预浸纱树脂含量的影响刮胶辊的数量及位置影响预浸纱的树脂含量，纤维经过的路径越复杂、胶辊数量越多，树脂含量就越小，其位置及数量由试验确定。
3.1.3预浸纱制作工艺参数的确定通过反复工艺试验，研制出的B621树脂体系预浸纱工艺参数及性能指标见表2.表2 B621树脂预浸纱工艺参数合性能指标预浸纱制备工艺参数纤维处理条件120.烘干2匕或80.以共干24匕纤维浸胶张力/kg浸胶速度/mmin刮胶辊数量胶液温度/C晾干条件在湿度小于50%、30C条件下晾置12h预浸纱性能参数树脂含量/%纱片宽度/mm纱片厚度/mm 3.2缠绕成型工艺研究选择合理的工艺参数是充分发挥原材料特性，制造高质量纤维缠绕制品的重要条件。影响纤维缠绕制品性能的主要工艺参数有：树脂含量、缠绕张力制度、线型控制、预浸纱预热以及固化制度等。3.2.1缠绕方式缠绕压力容器缠绕方式对容器性能影响很大。
在纤维缠绕成型工艺中，铺层方式有两种：第一种是所有纵向层纤维“集中”铺放在容器内部，所有螺旋缠绕层纤维“集中”缠绕在容器外部；第二种是纵向及螺旋“交替”铺放缠绕。对相关研究得出，采用“集中”缠绕的容器纵向铺放与螺旋缠绕层之间只有一个交接面，容器破坏时在交接面处发生的是分层破坏，容器整体结构性能较差，而采用“交替”
缠绕能有效解决上述问题。因此，本方案采用“交替”缠绕，即每缠绕一个循环的螺旋缠绕，相应地在外环进行一层纵向铺放至纵向层全部完成。
3.2.2缠绕张力制度缠绕张力是缠绕工艺中重要的参数，张力的大小、各束纤维间张力的均性以及各缠绕层之间纤维张力的均性都对容器性能影响极大。张力过小，容器充压时变形就大，造成其疲劳性能差，缠绕时产品表面纤维在传动轴的摩擦作用下易产生松弛现象；而张力过大，预浸纱被勒进纱团内，导致出纱混乱、断纱等问题，因此，选择合适的张力制度是提高容器性能的重要条件。张力制度按照实际缠绕试验进行确定，张力控制在1.53.5kg时，线型控制比较稳定，不会出现断纱、产品表面纤维出现松弛等问题。按照张力递减原理，缠绕初始张力设定为3.5kg，每完成3个循环螺旋缠绕层（每循环3.2.3缠绕线型精密控制纤维缠绕的理想状态就是缠绕到芯模后，纤维一条挨着一条，即不重叠又不离缝。但在缠绕环形压力容器时，由于内衬的转动是依靠摩擦力传动，传动中存在着内衬打滑的问题，导致线型紊乱；同时，随着纤维层厚度的增加，容器外径增大，纤维之间出现离缝问题。通过对缠绕中预浸纱排布规律变化的试验研究，将缠绕机升级为全闭环系统，对内衬因打滑而引起的误差进行补偿；同时对缠绕机数控系统进行优化，增加手持控制单元，对打滑引起的微小误差进行实时补偿；同时通过实时调整缠绕参数，解决了因容器外径增大引起的纤维离缝问题。
3.2.4预浸纱预热采用预浸纱干法缠绕，预浸纱在缠绕到容器时，应保证预浸纱树脂在通过加热装置后达到必要的粘流状态。但在环形压力容器的缠绕中，由于缠绕机特殊结构的限制，无法在丝嘴前增加加热装置来保证预浸纱树脂达到粘流状态。通过大量的试验研究，对预浸纱的加热采取了变通的方法：采用红外灯对容器本身进行烘烤加热，使容器温度达到树脂软化温度，当预浸纱缠绕到容器本身时，树脂迅速变软，达到对预浸纱缠绕前进行加热的相同目的。
3.2.5固化制度确定在研制树脂配方时按DSC曲线确定的固化制度为80C/2h+120C/4h.但在产品研制早期，按此固化制度固化的产品，表面存在溢胶现象，表面质量较差。经过分析认为，制品固化过程中，由于纤维存在预应力，当树脂达到粘流状态时，纤维收缩，将树脂从复合层内层挤到外层，造成制品表面溢胶。因此，开展了缠绕状态下树脂固化制度的研究。通过采取使树脂先在50C下进行一定时间的预固化，待达到一定的固化度后，再按树脂的固化制度固化，解决了产品表面溢胶的问题。产品在解剖后，树脂含量均，提高了容器性能。
通过大量的工艺摸索和试验，确定了预浸纱干法缠绕工艺参数，见表3.表3环形压力容器缠绕工艺参数工艺项内容缠绕线型螺旋缠绕+外环纵向缠绕螺旋缠绕角螺旋缠绕层数28（14个循环）纵向缠绕层数固化制度缠绕张力4产品试验试验及疲劳试验等静力试验考核，产品爆破后见图经过对预浸纱制作工艺参数及缠绕工艺参数优表4产品性能试验数据产品编号强度检验（37.5MPa）疲劳试验（30MPa下200次）保压试验（30MPa下保压45天）爆破压力/MPa未做60MPa时内衬泄漏通过未做45MPa时内衬泄漏通过上述试验结果表明，通过分析研究设计的复合层结构强度满足要求，爆破压力与计算值吻合。通过试验确定的预浸纱制作工艺参数、缠绕工艺参数合理可行。从爆破形式看，破坏断面在产品内环，爆破形式非常理想，试验取得了成功。
对发生故障的01、02号产品进行了解剖分析，泄漏的主要原因是内衬在成形和焊接过程中存在缺陷，在高压及疲劳应力作用下产生裂纹，导致气瓶泄漏。由于复合层不起密封作用，密封主要依靠钛合金内衬保证，为提高内衬的承载能力和密封性能，在内衬的结构设计、成型工艺及焊接工艺方面需要进一步深入研究。
5结论对环形压力容器采用网络理论为基础的分析方法，确定了缠绕层线型结构、层数以及爆破强度。通过试验验证，强度计算是正确的，结构设计是合理可行的；结合缠绕工艺理论分析，研究了树脂含量、缠绕张力等工艺参数对产品力学性能的影响。通过对预浸纱制备工艺参数及缠绕工艺参数试验优化确定，采用的工艺方法及参数是合理的；在压力试验中，部分产品内衬在复合层爆破前出现了泄漏，内衬的结构设计及成型工艺在后续工作中还需进行深入细致的研究。