[發明專利]一種封頭-筒身一體化纖維纏繞復合材料氣瓶的設計方法

有效

• 申請號: 201310632204.2
• 申請日: 2013-11-29
• 公開（公告）號: CN103672388A
• 公開（公告）日: 2014-03-26
• 發明（設計）人: 賀啟林;許光;王洪銳;周浩洋
• 申請（專利權）人: 北京宇航系統工程研究所;中國運載火箭技術研究院
• 主分類號: F17C1/06
• 分類號: F17C1/06
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 安麗

技術領域

本發明涉及一種封頭-筒身一體化纖維纏繞復合材料氣瓶的設計方法，該復合材料氣瓶可用于火箭及導彈高壓氣瓶、車載天然氣存儲壓力容器等。

背景技術

目前，國外在運載火箭、導彈、汽車、軍用飛機等方面已廣泛應用了復合材料氣瓶，而我國在飛運載火箭增壓裝置均采用金屬氣瓶。同金屬氣瓶相比，纖維纏繞復合材料高壓氣瓶具有“泄漏先于爆破”的失效模式，重量輕，結構效率高，耐腐蝕性好等特點，較同規格同壓力等級的鈦合金氣瓶在彈（箭）體結構上減重的效果顯著提高，是一種比較理想的輕質高壓容器，用其代替全金屬壓力容器已經成為航天航空領域氣瓶發展的一種趨勢。

目前，國內外廣泛采用網格理論進行氣瓶的筒身段纖維纏繞鋪層設計，由于筒身段即包含環向纖維又包含螺旋向纏繞纖維，因此封頭段的鋪層順序與角度完全取決于筒身段的螺旋向纏繞纖維。采用上述設計方法，往往出現封頭爆破強度不滿足設計指標的情況，因此需要反復修改筒身纏繞鋪層設計才能使封頭段爆破強度滿足設計要求?；谏鲜龇治?，在網格設計理論的基礎上，本發明提出一種封頭-筒身纖維纏繞鋪層聯合設計方法，以實現復合材料氣瓶纏繞鋪層的快速與優化設計。

發明內容

本發明的目的是提出一種封頭-筒身一體化纖維纏繞復合材料氣瓶的設計方法，該方法可以實現復合材料氣瓶纏繞的快速與優化設計。

本發明是通過以下技術方案實現的，具體步驟為：

第一步：復合材料氣瓶的設計要求為復合材料氣瓶的容積V、包絡尺寸、工作壓力p、爆破強度p_b。若無特殊說明，本申請中的體積量綱為升，長度的量綱為毫米，強度的量綱為兆帕。

第二步：確定氣瓶內襯的幾何尺寸

設定氣瓶筒身長度L、半徑R、氣瓶管嘴外徑，根據第一步中氣瓶的容積V與包絡尺寸，得到內襯封頭橢球面半軸B為

B=3(106V-πR2L)4πR2---(1)]]>

第三步：獲取初始材料數據

對纖維復合材料進行力學性能測試，獲取纖維材料的拉伸強度σ_fb。

第四步：進行復合材料氣瓶封頭及筒身纖維纏繞鋪層設計，可以按照如下步驟進行。

（1）基本參數計算

(1.1)氣瓶封頭的曲率半徑計算

氣瓶封頭采用旋轉對稱橢球封頭，則主曲率坐標線為子午線線和平行圓線θ線。相應地，氣瓶封頭各點的子午線線主曲率半徑為

平行圓線θ線主曲率半徑R_θ為

Rθ=-(z2R4B4+r2)1/2---(3)]]>

式中，r為封頭平行圓半徑，z為平行圓到氣瓶肩部的距離，具體見圖1。

（1.2）纏繞角計算