本發(fā)明涉及一種含有金屬內(nèi)襯碳纖維復(fù)合材料承壓身管結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的預(yù)應(yīng)力施加方法。

背景技術(shù)：

現(xiàn)代軍事技術(shù)的發(fā)展要求未來武器裝備具有輕便、機(jī)動、靈活快速反應(yīng)等特點(diǎn)，因此必須大力開發(fā)新型結(jié)構(gòu)和功能材料。其中纖維復(fù)合材料具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、不銹蝕、耐腐蝕、耐疲勞及可設(shè)計性好等優(yōu)點(diǎn)，是目前應(yīng)用最為廣泛的一類新型材料。但纖維復(fù)合材料的抗燒蝕能力和密閉性較差，所以一般在纖維復(fù)合材料發(fā)射筒的內(nèi)壁附加一層金屬材料，這種含金屬內(nèi)襯的纖維復(fù)合材料發(fā)射筒不僅質(zhì)量輕、可設(shè)計性強(qiáng)，還具有很好的密封性，可滿足各種武器平臺對發(fā)射筒的使用要求，具有廣泛的應(yīng)用前景。目前我國部隊采用的發(fā)射筒身管仍采用全金屬制作，過重的發(fā)射筒不方便戰(zhàn)士攜帶，作戰(zhàn)的靈活機(jī)動性也較差。

如果直接在金屬內(nèi)襯外表面纏繞碳纖維復(fù)合材料來制作身管，也存在一些技術(shù)上的不足:

其一：金屬內(nèi)襯外表面纏繞的復(fù)合材料層需要高溫固化，如采用熱固性聚酰亞胺樹脂，固化溫度達(dá)三百度以上，在這么高的固化溫度下，金屬內(nèi)襯發(fā)生膨脹，而外表面的碳纖維復(fù)合材料層對溫度不敏感，高溫下基本不發(fā)生膨脹，金屬內(nèi)襯熱膨脹后將外表面纏繞的碳纖維復(fù)合材料層撐開，固化冷卻后，金屬內(nèi)襯發(fā)生收縮，容易在復(fù)合材料層與金屬內(nèi)襯界面產(chǎn)生間隙，發(fā)生結(jié)合不緊密的情況，導(dǎo)致碳纖維復(fù)合材料層無法起到加固身管環(huán)向強(qiáng)度的作用。

其二：金屬內(nèi)襯的模量一般為200GPa，屈服強(qiáng)度為1280MPa，而碳纖維(T800)復(fù)合材料層環(huán)向模量一般小于金屬的模量，一般為180GPa，強(qiáng)度為3000MPa左右，因為復(fù)合材料的環(huán)向模量小于金屬內(nèi)襯，所以在實彈發(fā)射時，碳纖維復(fù)合材料層上的環(huán)向應(yīng)力小于金屬內(nèi)襯上的環(huán)向應(yīng)力更遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其自身強(qiáng)度，造成材料的浪費(fèi)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對上述現(xiàn)有技術(shù)提供一種含金屬內(nèi)襯碳纖維復(fù)合材料身管及其預(yù)應(yīng)力施加方法，提高金屬內(nèi)襯與作為加固件的碳纖維復(fù)合材料層之間的接觸緊密性。利用金屬塑性變形的特性使金屬內(nèi)襯在外部高壓作用下環(huán)向發(fā)生不可恢復(fù)的塑性變形，同時金屬內(nèi)襯外的碳纖維復(fù)合材料層保持彈性變形狀態(tài)，產(chǎn)生環(huán)向拉應(yīng)力，從而使金屬內(nèi)襯在碳纖維復(fù)合材料層的作用下產(chǎn)生環(huán)向壓應(yīng)力。當(dāng)金屬內(nèi)襯內(nèi)腔受到壓力時，環(huán)向壓應(yīng)力將抵消部分金屬內(nèi)襯承受的拉應(yīng)力，從而改善金屬內(nèi)襯的受力狀況。而且，如果金屬內(nèi)襯中有細(xì)微裂紋存在，由于環(huán)向壓應(yīng)力的存在，可延緩其發(fā)展過程，從而提高身管耐疲勞性能。

本發(fā)明解決上述問題所采用的技術(shù)方案為：一種金屬內(nèi)襯纏繞碳纖維復(fù)合材料身管，包括金屬內(nèi)襯、金屬尾管和碳纖維復(fù)合材料層，所述金屬內(nèi)襯和金屬尾管銜接，所述金屬內(nèi)襯的筒身外周成型有環(huán)形凹槽，所述碳纖維復(fù)合材料層對應(yīng)纏繞在所述環(huán)形凹槽內(nèi)，并且所述碳纖維復(fù)合材料層具有環(huán)向壓緊該金屬內(nèi)襯的趨勢。

金屬內(nèi)襯的兩端設(shè)置有連接螺紋，若干金屬內(nèi)襯之間通過螺紋實現(xiàn)依次連接，金屬尾管與末端金屬內(nèi)襯相連接。金屬尾管設(shè)置在身管的末端部位，無需碳纖維復(fù)合材料層的加固。

本發(fā)明解決另一技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是提供一種含金屬內(nèi)襯碳纖維復(fù)合材料身管預(yù)應(yīng)力施加方法，提高金屬內(nèi)襯與碳纖維復(fù)合材料層間的接觸緊密性，將碳纖維復(fù)合材料均勻環(huán)向纏繞至金屬內(nèi)襯的環(huán)形凹槽上，高溫固化完成后，將金屬內(nèi)襯兩端暫時密封，用水壓機(jī)對含金屬內(nèi)襯碳纖維復(fù)合材料身管內(nèi)腔進(jìn)行加壓，加壓過程中記錄水壓與碳纖維復(fù)合材料層的環(huán)向應(yīng)變，用于判斷碳纖維復(fù)合材料層與金屬內(nèi)襯界面之間的松緊狀況及金屬內(nèi)襯的應(yīng)力狀態(tài)；假設(shè)金屬內(nèi)襯的屈服強(qiáng)度為1280MPa，彈性模量為200GPa，碳纖維(T800)復(fù)合材料層環(huán)向強(qiáng)度為3000MPa，環(huán)向模量為180GPa，則金屬內(nèi)襯發(fā)生彈性應(yīng)變的最大值為0.64%，碳纖維復(fù)合材料層的極限應(yīng)變?yōu)?.67%。當(dāng)金屬內(nèi)襯被判斷出發(fā)生塑性變形并且碳纖維復(fù)合材料層所產(chǎn)生的環(huán)向變形量大于金屬內(nèi)襯的環(huán)向彈性變形量的最大值時，泄壓，可以通過調(diào)整碳纖維復(fù)合材料層產(chǎn)生的環(huán)向變形量與0.64%的差值的大小來調(diào)整金屬內(nèi)襯與碳纖維復(fù)合材料層間預(yù)應(yīng)力的大??；泄壓完成后，測量金屬內(nèi)襯內(nèi)壁尺寸，并車加工至需要的口徑；最后將做好的纏繞有碳纖維復(fù)合材料層的若干金屬內(nèi)襯依次首尾連接，并將金屬尾管連接到末端的金屬內(nèi)襯的端部，即為身管。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下特點(diǎn)：

1、本發(fā)明的身管可作為炮筒使用，身管采用分段連接設(shè)計方式，若干帶有碳纖維復(fù)合材料層的金屬內(nèi)襯之間通過螺紋連接，再依次與金屬尾管及支架等組裝，可減輕身管每段的重量，便于戰(zhàn)士攜帶，纏繞碳纖維復(fù)合材料層的金屬內(nèi)襯結(jié)構(gòu)堅固，便于進(jìn)行打壓工序。

2、本發(fā)明的提高金屬內(nèi)襯和碳纖維復(fù)合材料層間接觸緊密性的工藝，利用了金屬內(nèi)襯在水壓作用下發(fā)生可恢復(fù)的彈性形變和不可恢復(fù)的塑性形變的特性，使碳纖維復(fù)合材料層對金屬內(nèi)襯產(chǎn)生了環(huán)向預(yù)應(yīng)力，從而使兩者接觸更加緊密，碳纖維復(fù)合材料層受到一個環(huán)向拉應(yīng)力，而金屬內(nèi)襯受到一個環(huán)向壓應(yīng)力，相應(yīng)的身管在作為炮筒使用的情況下，當(dāng)發(fā)射使炮筒內(nèi)產(chǎn)生高膛壓時，金屬內(nèi)襯受到的環(huán)向壓應(yīng)力將抵消部分火藥氣體帶來的巨大拉應(yīng)力，從而改善金屬內(nèi)襯的受力狀況。如果金屬內(nèi)襯中有細(xì)微裂紋存在，由于壓應(yīng)力的存在，可延緩其發(fā)展過程，從而提高身管的抗疲勞性能。

3、本發(fā)明的身管可以使碳纖維復(fù)合材料層更多地承擔(dān)環(huán)向承壓負(fù)荷，充分發(fā)揮碳纖維復(fù)合材料高強(qiáng)度的優(yōu)勢，使整個身管結(jié)構(gòu)受力更加合理，使采用低牌號低模量（例如T700級）碳纖維進(jìn)行纏繞成為可能性，提高了產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例中身管的后半部分結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例中身管的前半部分結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明實施例中未車削螺紋的金屬內(nèi)襯和碳纖維復(fù)合材料層的組裝示意圖。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。

如圖1至3所示，本實施例中的身管，包括若干金屬內(nèi)襯2和與金屬內(nèi)襯數(shù)量相等的碳纖維復(fù)合材料層3和金屬尾管1，各金屬內(nèi)襯2的兩端分別設(shè)置有（內(nèi)、外）連接螺紋2.2，若干金屬內(nèi)襯2之間依次通過螺紋首尾連接，金屬尾管1與末端金屬內(nèi)襯2連接，金屬內(nèi)襯2的筒身外周成型有環(huán)形凹槽2.1，碳纖維復(fù)合材料一一對應(yīng)纏繞在各金屬內(nèi)襯2的環(huán)形凹槽2.1內(nèi)以形成前述的碳纖維復(fù)合材料層3，并且所述碳纖維復(fù)合材料層3始終具有環(huán)向壓緊該金屬內(nèi)襯2的趨勢，金屬內(nèi)襯2兩端作為待車削成上述連接螺紋2.2的相應(yīng)部位4。

身管采用了分段組裝的設(shè)計方式，可減輕身管每段的重量，便于戰(zhàn)士攜帶，纏繞碳纖維復(fù)合材料層的金屬內(nèi)襯結(jié)構(gòu)堅固，耐沖擊壓能力強(qiáng)，提高了身管的使用壽命。

身管的制造方法具體為，將碳纖維復(fù)合材料纏繞至金屬內(nèi)襯的環(huán)形凹槽上，高溫固化后，將金屬內(nèi)襯兩端暫時密封，用水壓機(jī)對含金屬內(nèi)襯碳纖維復(fù)合材料身管內(nèi)腔進(jìn)行加壓，加壓過程中記錄水壓與碳纖維復(fù)合材料層的環(huán)向應(yīng)變，用于判斷碳纖維復(fù)合材料層與金屬內(nèi)襯界面之間的松緊狀況及金屬內(nèi)襯的應(yīng)力狀態(tài)；當(dāng)金屬內(nèi)襯被判斷出發(fā)生塑性變形并且碳纖維復(fù)合材料層所產(chǎn)生的環(huán)向變形量大于金屬內(nèi)襯的環(huán)向彈性變形量的最大值時，泄壓，可以通過調(diào)整碳纖維復(fù)合材料層產(chǎn)生的環(huán)向變形量與金屬內(nèi)襯產(chǎn)生的環(huán)向彈性變形量差值的大小來調(diào)整金屬內(nèi)襯與碳纖維復(fù)合材料層間預(yù)應(yīng)力的大?。恍箟和瓿珊?，去掉兩端密封裝置，測量金屬內(nèi)襯內(nèi)壁尺寸，并車加工至需要的口徑；最后將做好的纏有碳纖維復(fù)合材料層的若干金屬內(nèi)襯依次首尾連接，并將金屬尾管連接到末端金屬內(nèi)襯的端部，即為身管。

上述身管的制造工藝使碳纖維復(fù)合材料層與金屬內(nèi)襯之間產(chǎn)生了環(huán)向預(yù)應(yīng)力，從而使兩者接觸更加緊密，碳纖維復(fù)合材料層受到一個環(huán)向拉應(yīng)力，而金屬內(nèi)襯受到一個環(huán)向壓應(yīng)力，從而改善金屬內(nèi)襯的受力狀況。