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KohlefaserEin gewickelter Verbunddruckbehälter ist ein dünnwandiger Behälter, der aus einer hermetisch dichten Auskleidung und einer hochfesten Faserwickelschicht besteht, die hauptsächlich durch ein Faserwickel- und Webverfahren hergestellt wird. Im Vergleich zu herkömmlichen Metalldruckbehältern dient die Auskleidung von Verbunddruckbehältern als Lagerung, Abdichtung und Schutz vor chemischer Korrosion, während die Verbundschicht hauptsächlich zur Aufnahme der Innendruckbelastung dient. Aufgrund der hohen spezifischen Festigkeit und der guten Konstruierbarkeit von Verbundwerkstoffen haben Verbunddruckbehälter nicht nur eine deutlich verbesserte Tragfähigkeit, sondern auch eine deutlich reduzierte Behältermasse im Vergleich zu herkömmlichen Metalldruckbehältern.
Die innere Schicht des Faserwickeldruckbehälters besteht hauptsächlich aus einer Linerstruktur, deren Hauptfunktion darin besteht, als Dichtungsbarriere zu fungieren, um das Austreten von unter hohem Druck stehenden Gasen oder Flüssigkeiten im Inneren zu verhindern und gleichzeitig die äußere Faserwickelschicht zu schützen. Diese Schicht wird durch das im Inneren gelagerte Material nicht korrodiert, und die äußere Schicht ist eine mit einer Harzmatrix verstärkte Faserwickelschicht, die hauptsächlich dazu dient, den meisten Druckbelastungen im Druckbehälter standzuhalten.
1. Aufbau von fasergewickelten Druckbehältern
Es gibt vier Hauptbauformen von Verbunddruckbehältern: zylindrisch, kugelförmig, ringförmig und rechteckig. Ein zylindrischer Behälter besteht aus einem Zylinderabschnitt und zwei Böden. Metalldruckbehälter werden in einfachen Formen mit zusätzlichen Festigkeitsreserven in axialer Richtung hergestellt. Kugelförmige Behälter weisen unter Innendruck gleiche Spannungen in Kett- und Schussrichtung auf und haben die halbe Umfangsspannung von zylindrischen Behältern. Die Festigkeit des Metallmaterials ist in alle Richtungen gleich, daher ist der kugelförmige Behälter aus Metall auf gleiche Festigkeit ausgelegt und hat die minimale Masse, wenn Volumen und Druck festgelegt sind. Der Festigkeitszustand kugelförmiger Behälter ist am idealsten, und die Behälterwand kann auch sehr dünn ausgeführt werden. Aufgrund der größeren Schwierigkeit bei der Herstellung kugelförmiger Behälter werden sie jedoch im Allgemeinen nur in Raumfahrzeugen und anderen Spezialanwendungen verwendet. Ringförmige Behälter werden in der industriellen Produktion sehr selten verwendet, aber in einigen speziellen Fällen oder wenn diese Struktur benötigt wird, wird beispielsweise in Raumfahrzeugen diese spezielle Struktur verwendet, um den begrenzten Raum optimal auszunutzen. Rechteckige Behälter dienen hauptsächlich dazu, bei begrenztem Platz die Raumausnutzung und die Verwendung von Strukturen zu maximieren, wie etwa rechteckige Kesselwagen für Kraftfahrzeuge, Kesselwagen für Eisenbahnen usw. Bei solchen Behältern handelt es sich im Allgemeinen um Niederdruckbehälter oder Behälter mit atmosphärischem Druck und die Qualitätsanforderungen sind umso leichter, je besser.
Die Komplexität der Struktur derVerbundwerkstoffDer Druckbehälter selbst, die plötzliche Änderung der Dicke des Kopfes und des Kopfes, die variable Dicke und der Winkel des Kopfes usw. bringen viele Schwierigkeiten bei Design, Analyse, Berechnung und Formgebung mit sich. Manchmal müssen Verbunddruckbehälter nicht nur in unterschiedlichen Winkeln und mit variablen Geschwindigkeitsverhältnissen im Kopfbereich gewickelt werden, sondern es müssen auch unterschiedliche Wickelmethoden entsprechend der unterschiedlichen Struktur angewendet werden. Gleichzeitig muss der Einfluss praktischer Faktoren wie des Reibungskoeffizienten berücksichtigt werden. Daher kann nur ein korrektes und vernünftiges Strukturdesign den Wickelproduktionsprozess von Verbunddruckbehältern richtig steuern, um leichte Verbunddruckbehälterprodukte herzustellen, die den Designanforderungen entsprechen.
2. Material des fasergewickelten Druckbehälters
Als Hauptlastträger muss die Faserwickelschicht eine hohe Festigkeit, einen hohen Modul, eine geringe Dichte, thermische Stabilität und eine gute Harzbenetzbarkeit sowie eine gute Wickelverarbeitbarkeit und gleichmäßige Faserbündeldichte aufweisen. Zu den häufig verwendeten Verstärkungsfasern für leichte Verbunddruckbehälter gehörenKohlenstofffasern, PBO-Fasern,aromatische Polyaminfasernund UHMWPE-Fasern.