【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于及閥門設計領域，涉及一種碳纖維復合材料閥門及其設計方法，該閥門的閥體是一種以金屬材料為內膽，外層包覆cfrp材料的結構。
技術介紹
1、目前傳統的艦/船的金屬閥門自重大，大通徑閥門的自重可達一噸以上，而艦/船上通常閥門眾多，且管路長而復雜，導致閥門系統占據了很大的重量比。在運輸方面，大重量的閥門系統會影響船舶整體的載貨量、載人量以及燃油效率，影響運輸成本。在安裝與維護方面，過重的閥門提高了安裝和維修難度，浪費人力和物力。同時，過重的閥門本身也存在更大的安全隱患。因此，閥門的輕量化設計可以提高整個艦/船的安全系數，降低運輸成本，提升整體性能。
2、由于艦/船的閥門管路系統覆蓋范圍廣，結構復雜，其產生的噪聲很大。過大的噪聲不僅影響操作人員的聽覺健康，還會影響整個艦/船的隱身能力。同時，傳統金屬閥門過大的振幅也會影響自身的使用壽命。目前大多使用增加消音裝置或外包阻尼材料的方法來降低閥門噪聲，但這些方法都會進一步增加閥門系統的重量。因此，對閥門本身結構或材料的改進可以在降低閥門噪音的同時不增加閥門的重量。
3、碳纖維復合材料(cfrp，carbon?fiber?reinforced?plastic)是一種具有重量輕、比強度高、比剛度好、可設計性強、減振性能優異等優點的阻尼材料，有利于減少結構的振動。目前，cfrp被廣泛應用到汽車和航空航天領域，相比與傳統金屬材料，cfrp不僅可以明顯降低結構重量，還在一定程度上提高結構的強度，同時由于其減振性能，可以進一步提高結構的安全穩定。因此，將cfrp應用于閥
技術實現思路
1、針對傳統金屬閥門重量大、噪聲大的缺點，本專利技術使用cfrp材料代替原金屬調節閥閥體的部分外壁材料，通過環氧樹脂將cfrp和金屬閥體內膽膠接形成完整的閥體結構，可降低閥門的重量，并利用cfrp的減振性降低閥門工作時產生的噪聲。
2、為了實現上述目的，本專利技術采用的技術方案為：
3、一種碳纖維復合材料閥門，所述的碳纖維復合材料閥門包括閥體2、彈簧壓蓋3、閥座4、球體5、彈簧6、擴散器7、孔板8、導流套9、大螺栓10、導向套11、閥桿12、上蓋13以及密封件。與傳統金屬閥門相比，本專利技術的設計改進點(對原金屬閥體進行改進)為：所述閥體2是將原金屬閥體1的全金屬結構改為一種金屬材料和cfrp材料兩種基本材料粘接組成的閥體結構，其以金屬材料為內膽201，外層202包覆cfrp材料形成cfrp層，兩種材料通過環氧樹脂膠接形成整體，其中閥體2不同位置所包覆地cfrp材料厚度不同。具體的：
4、進一步的，所述的cfrp層較厚的位置是兩端法蘭205內側、連接大螺栓位置206的外壁以及沿閥體2流向的環向外壁203，其余外表面區域僅包覆較薄的cfrp層作為外觀，形成完整的碳纖維復合材料閥門閥體。
5、進一步的，所述的碳纖維復合材料閥門結構具體為：
6、所述閥體2入口處加工螺紋207，用于連接彈簧壓蓋3，彈簧壓蓋3與閥座4的外壁面通過間隙配合，閥座4與球體5通過動密封圈接觸，同時閥座4通過彈簧壓蓋3與閥座4之間的彈簧6產生的壓緊力，以及球體5的接觸，實現固定約束。
7、所述閥體2出口處加工螺紋208，用于連接擴散器7，擴散器7與孔板8接觸，孔板8與導流套9接觸，孔板8與導流套9通過閥體2內壁結構以及擴散器7的接觸，實現固定約束。
8、所述閥體2上端中法蘭204加工通孔209，用于放入閥桿12與上蓋13，閥桿12末端嵌入球體5，以控制球體5的旋轉和限制自由度。
9、所述閥體2下端加工螺紋211，用于連接大螺栓10，大螺栓10末端通過導向套11與球體5連接，以限制球體5的自由度。
10、所述閥體2兩側端法蘭205均加工多個通孔212，用于閥體2與管路附件的螺栓連接。
11、一種碳纖維復合材料閥門的設計方法，包括以下步驟：
12、第一步，對原金屬閥體1進行結構改進。如圖1和2所示，將原金屬閥體1的斜曲面環形外壁101改為閥體2的等徑曲面外壁203；將原鈦合金閥體1的中法蘭102凸緣去掉，改為閥體2的中法蘭204結構，用于cfrp預浸料的纏繞成型。
13、第二步，選擇閥體2的主要受力位置，即沿閥體2流向的環向外壁203，采用cfrp材料代替該位置外壁的部分金屬材料，并利用等剛度替換公式確定替換的cfrp材料的厚度范圍。公式為：
14、
15、式中：tm、tc分別為替換前金屬材料厚度和替換后的cfrp材料厚度；em、ec分別為金屬剛度和包覆閥體的cfrp環向剛度；α為厚度指數系數，通常取值為1～3。
16、根據α的取值范圍，確定tt的取值范圍[ta,tb]。
17、根據tt的取值范圍[ta,tb]，選擇范圍內不同厚度cfrp的閥體進行靜力學仿真，cfrp預浸料的單層厚度t0為固定值，因此tt在[ta,tb]中的取值為離散值，選擇每增加n層cfrp材料取一個厚度值ti(i＝1,2,3,…,m)，且滿足ti+1＝ti+nt0。即在[ta,tb]范圍內取t1、t2、t3…tm厚度的cfrp的閥體進行靜力學仿真。
18、第三步，根據第二步的靜力學仿真結果，對比不同厚度cfrp層的閥體的最大應力σi(i＝1,2,3,…,m)與原金屬閥體的最大應力σt。選擇結果最接近的厚度值ti(i＝1,2,3,…,m)作為cfrp層的最終厚度tf。即最終確定的cfrp厚度應滿足以下關系：
19、
20、第四步，閥體1的兩側端法蘭103內側和連接大螺栓位置104的外壁均采用等厚度替換，即去除原始部分金屬材料，其厚度分別為tmf和tmb，替換為等厚度的cfrp材料包覆在表面，其厚度為tcf和tcb，其中，tmf＝tcf，tmb＝tcb。其余外表面區域，即端法蘭的邊緣和外側、中法蘭的表面以及大螺栓位置的下邊緣僅包覆1～2層的cfrp層作為外觀，從而形成完整的碳纖維復合材料閥門閥體。
21、第五步，cfrp材料與金屬材料的所有接觸面均通過環氧樹脂膠膠接形成cfrp閥門閥體。
22、本專利技術的有益效果是：
23、(1)本專利技術設計閥門的閥體采用cfrp材料代替部分金屬材料，可利用cfrp密度低、抗振性強的優勢實現碳纖維復合材料閥門的減重和降噪，改善傳統金屬閥門重量大、噪聲大的劣勢。
24、(2)本專利技術設計閥體采用形狀改進后的金屬閥體作為內膽，外部包覆cfrp材料，其他零件仍使用金屬材料，不僅有利于cfrp材料的成型工藝，且避免了cfrp材料與水或海水等介質直接接觸造成的濕熱老化。
25、(3)本專利技術的金屬外表面全包覆cfrp材料不僅避免了cfrp和金屬膠接的邊緣處脫膠，且造型更加美觀。
26、(4)本專利技術設計對閥門的閥體主要受力位置采用等剛度本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種碳纖維復合材料閥門，其特征在于，所述的碳纖維復合材料閥門包括閥體(2)、彈簧壓蓋(3)、閥座(4)、球體(5)、彈簧(6)、擴散器(7)、孔板(8)、導流套(9)、大螺栓(10)、導向套(11)、閥桿(12)、上蓋(13)以及密封件；所述的閥體(2)是由一種金屬材料和CFRP材料兩種材料組成的復合閥體結構，其以金屬材料為內膽(201)，外層(202)包覆CFRP材料形成CFRP層，兩種材料通過環氧樹脂膠接形成整體，其中閥體(2)不同位置所包覆地CFRP材料厚度不同。
2.根據權利要求1所述的一種碳纖維復合材料閥門，其特征在于，所述的CFRP層較厚的位置是兩端法蘭(205)內側、連接大螺栓位置(206)的外壁以及沿閥體(2)流向的環向外壁(203)，其余外表面區域僅包覆較薄的CFRP層作為外觀，形成完整的碳纖維復合材料閥門閥體。
3.根據權利要求1所述的一種碳纖維復合材料閥門，其特征在于，所述的碳纖維復合材料閥門結構具體為：
4.一種權利要求1-3任一所述的碳纖維復合材料閥門的設計方法，其特征在于，包括以下步驟：
5.根據權利
...【技術特征摘要】
1.一種碳纖維復合材料閥門，其特征在于，所述的碳纖維復合材料閥門包括閥體(2)、彈簧壓蓋(3)、閥座(4)、球體(5)、彈簧(6)、擴散器(7)、孔板(8)、導流套(9)、大螺栓(10)、導向套(11)、閥桿(12)、上蓋(13)以及密封件；所述的閥體(2)是由一種金屬材料和cfrp材料兩種材料組成的復合閥體結構，其以金屬材料為內膽(201)，外層(202)包覆cfrp材料形成cfrp層，兩種材料通過環氧樹脂膠接形成整體，其中閥體(2)不同位置所包覆地cfrp材料厚度不同。
2.根據權利要求1所述的一種碳纖維復合材料閥門，其...
【專利技術屬性】
技術研發人員：劉新，袁梓禎，王林濤，劉新，王守真，王希超，
申請(專利權)人：大連理工大學，
類型：發明
國別省市：
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