[發明專利]一種可重復使用復合材料氣瓶及其設計方法

有效

• 申請號: 201711242373.X
• 申請日: 2017-11-30
• 公開（公告）號: CN108061241B
• 公開（公告）日: 2020-07-10
• 發明（設計）人: 王愷;滿滿;周浩洋;王細波;許光;王洪銳;張翼;廖傳軍;鄭茂琦;張婷
• 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;F17C1/10;F17C13/00;F17C13/02
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1.一種氣瓶，其特征在于，包括金屬內膽和復合材料層，所述氣瓶還包括下述1)-5)中至少一種所述：

1)所述氣瓶由內到外依次包括金屬內膽、連接層和復合材料層；所述連接層包括具粘性和/或柔性的材料；

2)所述復合材料層采用網格理論進行鋪層設計；

3)所述金屬內膽的設計采用Manson-coffin公式；

4)復合材料層表面設置有傳感器；

5)所述金屬內膽表面設置有傳感器，所述金屬內膽的結構包括采用球形或者圓筒段加橢球形封頭的形式；

所述氣瓶還包括下述1)-7)中至少一種所述：

1)當所述復合材料層采用網格理論進行鋪層設計時，設置爆破壓力為氣瓶工作壓力的2倍；

2)當所述金屬內膽的設計采用Manson-coffin公式時，設置氣瓶反復充壓失效次數為其疲勞壽命的4倍；

3)當所述氣瓶包括連接層時，所述連接層包括玻璃布和/或環氧底漆；

4)所述復合材料層包括高強碳纖維增強環氧樹脂；

5)所述金屬內膽包括6061鋁合金內襯和/或TC4鈦合金內襯；

6)所述金屬內膽的壁厚包括0.5-1.7mm；

7)當所述氣瓶包括傳感器時，所述傳感器包括光纖光柵應變和/或溫度傳感器；

所述氣瓶還包括通過下述方法制備得到的氣瓶，所述方法包括通過有限元軟件建立所述氣瓶的仿真模型后進行仿真分析，然后通過得到的仿真分析結果，調整所述氣瓶的結構，使所述氣瓶重復使用次數達到300次以上，并且具備4倍安全裕度；所述仿真分析包括下述1)-7)中至少一種：

1)所述金屬內膽采用SOLID95單元進行網格剖分，所述復合材料層應用SHELL99單元進行剖分，SHELL99單元與SOLID95單元的單元面重合，并且共用節點，對三個對稱面施加對稱約束；

2)對所述復合材料層的應力、應變、氣瓶軸向、和/或徑向位移進行仿真分析；

3)對所述金屬內膽的應力、應變、氣瓶軸向、和/或徑向位移進行仿真分析；

4)對所述氣瓶進行自緊壓力設計；

5)對所述氣瓶進行強度分析；

6)對所述氣瓶校核疲勞壽命；

7)對所述氣瓶進行靜力分析；所述自緊壓力設計包括： 使用有限元軟件在工作壓力到兩倍的工作壓力的范圍內搜索最佳自緊壓力，一次搜索過程為：0→變量自緊壓力→0→工作壓力；以變量SLSE≤0.5且ΔP≤1MPa為搜索停止的條件，若搜索過程始終達不到上述條件，則搜索過程停止，自緊壓力的取值比兩倍工作壓力小，且其差值小于1MPa；

其中，為第i次搜索工作壓力下筒身段Mises應力平均值；

所述強度分析包括：通過有限元軟件建立仿真模型后，以一定步長，局部加載，直至破壞；在每步完成后對結果進行疊加，再對單元進行檢查，并相應對材料參數進行剛度折減；對于每個載荷步，應用Tsai-Wu準則判斷基體破壞和纖維斷裂，Chang-Chang準則判斷纖維分層，校核氣瓶強度； 所述氣瓶校核疲勞壽命包括下述步驟1)-3)：

1)有限元軟件得到氣瓶充壓疲勞過程中的應變；

2)利用Manson-coffin公式校核氣瓶疲勞壽命；

3)通過水壓疲勞試驗對所述氣瓶疲勞壽命進行驗證； 所述靜力分析包括通過有限元軟件進行靜力分析。