本发明涉及一种大尺寸自动化水平高的轻量化承压容器或者管道的制备工艺，具体是一种承受内压的含金属内衬的复合材料点阵夹层双蒙皮圆柱壳结构的制备工艺。
背景技术：
目前，石油化工行业压力容器向着高参数化方向发展，这对材料强度和刚度的要求越来越高，且航空航天领域对火箭燃料储箱提出了高强高刚轻量且无渗漏的要求。本专利基于该需求，建立全金属内衬的复合材料点阵夹层双蒙皮圆柱壳结构及其制备工艺。其优点在于：在结构方面：①金属内衬，可以选择耐蚀性较高的金属，降低介质对其的腐蚀性，同时致密的金属内衬可以有效地防止介质渗漏；②利用纤维材料高比强度、比模量和各向异性的特点满足压力容器的强度要求；③复合材料夹层结构，提供了足够刚度，实现轻量化及高刚度的要求。制备工艺方面：①实现大尺寸、高精度和高稳定性的含金属内衬复合材料夹层结构制备工艺；②可实现自动化生产。基于上述特点，这类结构可应用于石化大型储罐、反应塔、反应釜以及各类飞行器燃料储箱和运输储罐等领域。
复合材料圆柱壳结构是为了满足工程结构轻型化和多功能化要求而设计出来的一种新型结构。目前，关于一些复合材料圆柱壳的制备，人们只注重壳体结构的轴向抗压能力，因此，在实际制备过程中经常忽略壳体结构的径向刚度和纤维材料对壳体环向预紧的影响，即这些结构不适用于承压设备领域。并且，对于复合材料点阵结构的制备工艺，人们已提出了一体化成型工艺和二次成型工艺。一体化成型工艺可以解决点阵芯子与复合材料面板的粘结强度问题，但其制备过程过于依赖手工操作，不易实现自动化；二次成型工艺易于实现自动化，但其点阵芯子单体之间采用粘结的方式相互结合，由于粘结强度较低，使得复合材料点阵结构的剪切强度低。因此，当制备承受内压的点阵夹层结构以及有尺寸和曲率半径要求的点阵夹层壳体结构时，由以往的制备工艺、自动化生产的能力和获得高参数结构的抗内压、抗轴压、抗弯和抗剪切强度等性能离预期还有一定的距离。
技术实现要素：
针对以上现有技术中存在的问题，本发明提供了一种承受内压的含金属内衬的复合材料点阵夹层双蒙皮圆柱壳结构及其制备工艺，可以较好地解决现有复合材料夹层圆柱壳不能很好地实现高内压强度、高刚度和轻量化有机统一的问题，和制备工艺复杂，不易实现大型化、批量化和自动化生产的问题，以及现有制备工艺粗糙，制备过程容易产生缺陷等问题。
本发明的技术方案如下：
一种承受内压的含金属内衬的复合材料点阵夹层双蒙皮圆柱壳结构，其特征在于包括：薄壁金属内衬(1)、内蒙皮(2)、点阵夹层和外蒙皮(6)，其中，点阵夹层包括：规格一泡沫条(3)、规格二泡沫条(4)和波纹筋(5)；其中，内蒙皮(2)和外蒙皮(6)均采用复合材料；金属内衬(1)外壁为纤维缠绕制成的内蒙皮(2)；规格一泡沫条(3)和规格二泡沫条(4)间隔着沿内蒙皮(2外壁环绕一圈，规格一泡沫条(3)和规格二泡沫条(4)之间为波纹加强筋(5)，再由外蒙皮(6)固定以满足内压薄壁圆柱壳金属内衬复合材料圆柱壳的刚度要求；波纹加强筋(5)采用复合材料；规格一泡沫条(3)和规格二泡沫条(4)与波纹筋(5)之间为无间隙配合；外蒙皮(6)为纤维丝经缠绕机缠绕制得。
所述纤维丝或纤维布为碳纤维、玻璃纤维或芳纶纤维；规格一泡沫条(3)和规格二泡沫条(4)的材质为为pvc泡沫、pei泡沫或pmi泡沫。
所述规格一泡沫条(3)和规格二泡沫条(4)的参数包括钝角、高度和上、下底，规格一泡沫条(3)和规格二泡沫条(4)的尺寸分别满足下式：
规格一泡沫条(3：钝角θ＝90+180/n；下底：
规格二泡沫条(4：钝角θ＝90+180/n；下底：
其中，t为波纹筋厚度；h为泡沫条的高和r0为内蒙皮外径。
一种承受内压的含金属内衬的复合材料点阵夹层双蒙皮圆柱壳结构的制备工艺，其特征是包括以下步骤：
步骤一：将薄壁金属内衬管(1)在缠绕机上缠绕预定纤维层，形成内蒙皮(2)；
步骤二：制备点阵夹层，夹层主要由两种规格的泡沫条与纤维布(5)通过相间排列，并通过五种专用工具相互配合沿内蒙皮(2)环向铺设一圈形成。
步骤三：将铺好点阵夹层的圆柱壳沿外壁缠绕预设的纤维层，形成外蒙皮；
步骤四：将缠绕后的圆柱壳送进固化炉中固化，即制得含金属内衬的复合材料点阵夹层双蒙皮圆柱壳结构。本发明适用于一种含金属内衬的复合材料点阵夹层双蒙皮圆柱壳结构的制备。
所述步骤二包括如下步骤：
制备点阵夹层，夹层主要由两种规格的规格一泡沫条(3)和规格二泡沫条(4)与波纹筋(5)通过相间排列，并通过五种专用工具相互配合沿内蒙皮(2)环向铺设一圈形成，夹层制备的具体过程如下：
1)通过锯床加工两种数量相等，不同上、下底的等腰梯形的规格一泡沫条(3)和不同上、下底的等腰梯形的规格二泡沫条(4)共n个，规格一和规格二，n为偶数且n≧16；
2)将规格一的泡沫条(3)的上底与预浸的波纹筋(5)通过下压板(8)和上压板(7)固定，两两等距排列，保持纤维布(5)处于平铺拉直状态，且规格一泡沫条(3)之间的距离为l：
3)将上压板(7)、下压板(8)和之间的规格一泡沫条(3以及预浸的波纹筋(5)固定，控制规格一泡沫条(3之间的距离为l′：
l′＝l2+l2′+2*t
4)将规格二的泡沫条(4)置于上一步距离为l′由预浸的波纹筋(5)内凹形成的空腔内，并用下压板(7)和上压板(8)固定，形成具有特定长宽的矩形板；
5)将长条压板(9)穿过上压板(7)的空腔并压紧规格一泡沫条(3)、规格二泡沫条(4)和波纹筋(5)，取出上压板(7)，利用长条压板(9)代替上压板(7)来固定预浸的波纹筋(5)、规格一泡沫条(3)和规格二泡沫条(4)；
6)将步骤一形成的带有内蒙皮(2)的圆柱壳两端沿周向均匀安装专用夹具10，使夹具间的距离刚好可以安装特定长度的规格一泡沫条(3)和规格二泡沫条(4)，每端夹具(10)的数量与规格一泡沫条(3)、规格二泡沫条(4)的数量相同为n；
7)将两端装有专用夹具(10)的圆柱壳水平置于平铺的点阵矩形泡沫板首根泡沫条上，保持其中一对夹具(10与该端部泡沫条对齐，夹具(10)由圆柱壳自身的重力将自动夹紧泡沫条和下压板(8)，控制圆柱壳以特定的速度向矩形板另一端转动并同时控制长条压板(9)以相同的速度抽出矩形板，满足每根泡沫条被圆柱壳两端夹具夹紧之前都由长条压板(9)进行限位；
8)将周向固定点阵夹层的复合材料圆柱壳置于专用径向支撑架(11)内，驱动液压杆来径向支撑所有的下压板(8)并与其固定，并撤掉两端专用夹具(10)。
所述步骤三包括如下步骤：制备外蒙皮(6)，外蒙皮(6)为纤维丝通过缠绕机缠绕获得，缠绕过程中要求点阵夹层的规格一泡沫条(3)、规格二泡沫条(4)与波纹筋(5)之间不产生滑移和松动以保证最终结构的尺寸精度并防止缺陷的产生，外蒙皮(6)的制备具体过程如下：
1)将径向支撑架(11)与下压板(8)一起向一端移动小段距离，腾出的复合材料圆柱壳端部小段距离通过缠绕机进行预缠绕；
2)控制径向支撑架(11)与下底板(8)向一端移动的速度与缠绕机轴向缠绕速度相同，使刚从下底板腾出的复合材料即被纤维层覆盖，当径向支撑架(11)与下底板(8)完全脱离复合材料圆柱壳，缠绕机即完成外蒙皮的第一层纤维，再继续缠绕完成特定层数的外蒙皮(6)的制备。
所述步骤四包括如下步骤：将缠完外蒙皮(6)的结构置于固化炉固化，即制得一种承受内压的含金属内衬的复合材料点阵夹层双蒙皮圆柱壳结构。
本发明的有益效果是：
本发明为了解决现有复合材料点阵夹层圆柱壳不能很好地实现高内压强度、高刚度和轻量化有机统一的问题，以及制备工艺复杂并受结构尺寸限制且不易批量化生产的问题。
首先，本发明采用纤维缠绕的方式在薄壁金属内衬外壁形成外蒙皮，在承受内压时即满足强度的要求又可以实现轻量化的目的。
其次，含波纹加强筋的点阵夹层的制备工艺通过专用夹具可以实现大型化，自动化的生产要求，并且，点阵夹层的生产过程始终保持纤维布与泡沫条的相对位置互相固定，过程不会松懈，使得制备的点阵夹层精度高，缺陷少；外蒙皮由纤维缠绕制得，点阵夹层和外蒙皮可以为整个结构提供足够的刚度，以满足结构在复杂工作环境的要求；最后，整个结构一次固化成型，并采用旋转的方式使初步固化，使各层纤维均匀浸透树脂。
因此，通过该制备工艺生产出来的一种承受内压的含金属内衬的复合材料点阵夹层双蒙皮圆柱壳结构具有各层之间的粘接强度高，成品质量高，可实现大规模生产和自动化生产的任务要求。
附图说明
图1为本发明的一种承受内压的含金属内衬的复合材料点阵夹层双蒙皮圆柱壳结构示意图；
图2(a)、图2(b)和图2(c)为点阵夹层的平铺排列成矩形板的制备示意图，其中，图2(a)为规格一泡沫条与预浸的纤维布的平铺排列方式示意图，图2(b)为规格二的泡沫条与规格一的泡沫条和预浸的纤维布之间的配合示意图，图2(c)为制备的点阵夹层平铺矩形板与三种压板之间的配合示意图；
图3(a)、图3(b)和图3(c)为平铺的点阵矩形板沿圆柱壳圆周方向铺层示意图，其中，图3(a)为点阵夹层环向铺层方式示意图，图3(b)为夹具与夹层的咬紧配合示意图，图3(c)是铺好点阵夹层的结构示意图；
图4为沿圆柱壳周向方向铺设的点阵夹层局部示意图；
图5(a)和图5(b)为纤维缠绕形成外蒙皮的制备示意图，其中，图5(a)为在铺好夹层的圆柱壳上安装专用的径向支撑架示意图，该径向支撑架由沿周向均匀排列的n个电动液压杆组成，图5(b)为制备外蒙皮的方式示意图。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例对本发明做进一步说明。
实施例一。
本发明的承受内压的含金属内衬的复合材料点阵夹层双蒙皮圆柱壳结构包括：薄壁圆柱金属内衬、内蒙皮、点阵芯子和外层蒙皮组成，其中，内蒙皮和外蒙皮均采用复合材料；按照受内压薄壁金属内衬圆柱壳强度的需要，内蒙皮由纤维缠绕制得；点阵芯子包括波纹加强筋和等腰梯形泡沫条，波纹加强筋与泡沫条均匀沿内蒙皮外壁环绕一圈，再由外蒙皮固定以满足内压薄壁圆柱壳金属内衬复合材料圆柱壳的刚度要求；波纹加强筋采用复合材料；泡沫条与波纹加强筋的空腔无间隙配合；相邻的两个泡沫条为具有两种相同高度不同上下底的等腰梯形截面的泡沫条。外蒙皮为纤维丝经缠绕机缠绕制得。
泡沫条的参数包括钝角、高度和上、下底，两种规格的泡沫条尺寸满足下式：
规格一(泡沫条)：钝角θ＝90+180/n；下底：
规格二(泡沫条)：钝角θ＝90+180/n；下底：
其中，t为波纹筋厚度；h为泡沫条的高和r0为内蒙皮外径。
如图1所示，本实施例中制备的一种承受内压的含金属内衬的复合材料点阵夹层双蒙皮圆柱壳结构，包括：薄壁金属内衬1、内蒙皮2、点阵夹层和外蒙皮6，其中，点阵夹层包括：规格一泡沫条3、规格二泡沫条4和波纹筋5；其中，内蒙皮2和外蒙皮6均采用复合材料；金属内衬1外壁为纤维缠绕层即内蒙皮2；波纹加强筋5与相邻的两种规格的泡沫条3、4均匀沿内蒙皮2外壁环绕一圈，再由外蒙皮6固定以满足内压薄壁圆柱壳金属内衬复合材料圆柱壳的刚度要求；波纹加强筋5采用复合材料；泡沫条与波纹加强筋的空腔无间隙配合；外蒙皮6为纤维丝经缠绕机缠绕制得；
点阵夹层芯子的水平铺层方式如图2(a)、图2(b)和图2(c)所示，包括规格一的泡沫条3、规格二的泡沫条4、预浸的纤维布(波纹筋5)以及上压板7、下压板8和长条压板9；其中，图2(a)为上压板7、下压板8和规格一的泡沫条3成对配合示意图；图2(b)为规格二的泡沫条4与上压板8和下压板9配合形成平铺的矩形泡沫板示意图；图2(c)为长条压板9穿过并排的上压板的空腔，利用长条压板9代替上压板7对矩形泡沫板进行固定；
图3(a)、图3(b)和图3(c)为平铺的点阵矩形板沿圆柱壳环向缠绕形成带有曲率的点阵夹层芯子。包括圆柱壳两端对称的夹具10；其中，该夹具主要由卡箍和弹簧组成，图3(a)为点阵夹层环向铺层方式示意图，图3(b)为夹具10与夹层的下压板8咬紧配合示意图，当夹具受到泡沫条的径向压力，该夹具将自动夹紧泡沫条和下压板；图3(c)是铺好点阵夹层的结构示意图；
图4为波纹筋与两种泡沫条沿圆柱壳周向缠绕的配合示意图；
图5(a)和图5(b)为为外蒙皮6的制备示意图，其中，图5(a)为径向支撑结构11的安装示意图，图5(b)为外蒙皮6制备方式示意图。
本实施方式的纤维丝或纤维布为碳纤维、玻璃纤维或芳纶纤维；泡沫条为pvc、pei或pmi泡沫。
实施例二。
本实施例的一种承受内压的含金属内衬的复合材料点阵夹层双蒙皮圆柱壳结构的制备工艺，其制备工艺包括以下步骤：
步骤1：将薄壁金属内衬管1在缠绕机上缠绕预定纤维层，形成内蒙皮2；
步骤2：制备点阵夹层，夹层主要由两种规格的泡沫条与纤维布5通过相间排列，并通过五种专用工具相互配合沿内蒙皮2环向铺设一圈形成，夹层制备的具体过程如下：
1)通过锯床加工两种数量相等，不同上、下底的等腰梯形泡沫条3、4共n个(规格一和规格二，n为偶数且n≧16)
2)将规格一的泡沫条3的上底与预浸的纤维布5通过下压板8和上压板7固定，两两等距排列，保持纤维布5处于平铺拉直状态，且规格一泡沫条3之间的距离为l：
3)将上压板7、下压板8和之间的规格一泡沫条3以及预浸的纤维布(波纹筋)5固定，控制规格一泡沫条3之间的距离为l′：
l′＝l2+l2′+2*t
4)将规格二的泡沫条4置于上一步距离为l′由预浸的纤维布5内凹形成的空腔内，并用下压板7和上压板8固定，形成具有特定长宽的矩形板；
5)将长条压板9穿过上压板7的空腔并压紧泡沫条3、4和预浸的纤维布5，取出上压板7，利用长条压板9代替上压板7来固定预浸的纤维布5和泡沫条3、4；
6)将步骤一形成的带有内蒙皮2的圆柱壳两端沿周向均匀安装专用夹具10，使夹具间的距离刚好可以安装特定长度的泡沫条3、4，每端夹具10的数量与泡沫条3、4的数量相同为n；
7)将两端装有专用夹具10的圆柱壳水平置于平铺的点阵矩形泡沫板首根泡沫条上，保持其中一对夹具10与该端部泡沫条对齐，夹具10由圆柱壳自身的重力将自动夹紧泡沫条和下压板8，控制圆柱壳以特定的速度向矩形板另一端转动并同时控制长条压板9以相同的速度抽出矩形板，满足每根泡沫条被圆柱壳两端夹具夹紧之前都由长条压板9进行限位；
8)将周向固定点阵夹层的复合材料圆柱壳置于专用径向支撑架11内，驱动液压杆来径向支撑所有的下压板8并与其固定，并撤掉两端专用夹具10；
步骤3：将铺好点阵夹层的圆柱壳沿外壁缠绕预设的纤维层形成外蒙皮6，缠绕过程中要求点阵夹层的泡沫条3、4与预浸的纤维布(波纹筋)5之间不产生滑移和松动以保证最终结构的尺寸精度并防止缺陷的产生，外蒙皮6的制备具体过程如下：
1)将径向支撑架11与下压板8一起向一端移动小段距离，腾出的复合材料圆柱壳端部小段距离通过缠绕机进行预缠绕；
2)控制径向支撑架11与下底板8向一端移动的速度与缠绕机轴向缠绕速度相同，使刚从下底板腾出的复合材料即被纤维层覆盖，当径向支撑架11与下底板8完全脱离复合材料圆柱壳，缠绕机即完成外蒙皮的第一层纤维，再继续缠绕完成特定层数的外蒙皮6的制备；
步骤4：将缠完外蒙皮6的结构置于固化炉中固化，即制得一种承受内压的含金属内衬的复合材料点阵夹层双蒙皮圆柱壳结构。
最后需要注意的是，公布实施方式的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的得同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。