[發(fā)明專(zhuān)利]低溫復(fù)合材料氣瓶設(shè)計(jì)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011334440.2
• 申請(qǐng)日: 2020-11-24
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112446112B
• 公開(kāi)（公告）日: 2023-07-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 許光;邢力超;滿(mǎn)滿(mǎn);王叢飛;鄭茂琦;張婷;羅盟;張立強(qiáng);丁建春;賀啟林;周浩洋
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 北京宇航系統(tǒng)工程研究所
• 主分類(lèi)號(hào): G06F30/17
• 分類(lèi)號(hào): G06F30/17;G06F30/23;G06F113/26;G06F119/14;G06F119/08
• 代理公司: 中國(guó)航天科技專(zhuān)利中心 11009
• 代理人: 張輝

低溫復(fù)合材料氣瓶設(shè)計(jì)方法，一、設(shè)計(jì)鋪層參數(shù)；二、利用網(wǎng)格理論計(jì)算氣瓶的常溫強(qiáng)度和低溫強(qiáng)度，判斷常溫強(qiáng)度和低溫強(qiáng)度是否滿(mǎn)足要求，若不滿(mǎn)足要求，返回一，若滿(mǎn)足要求，則進(jìn)入三；三、對(duì)氣瓶建立有限元模型，計(jì)算氣瓶常溫和低溫工作壓力下內(nèi)襯的應(yīng)力狀態(tài)、常溫和低溫零壓力下內(nèi)襯的穩(wěn)定性，以及低溫工作壓力下纏繞層最外層纖維方向的應(yīng)力，判斷常溫和低溫工作壓力下內(nèi)襯Mises應(yīng)力是否不超過(guò)材料的屈服極限；常溫和低溫零壓力下內(nèi)襯結(jié)構(gòu)是否完整穩(wěn)定；低溫工作壓力下纏繞層最外層纖維方向的應(yīng)力是否不大于σsubgt;d1/subgt;/n；若是，則氣瓶設(shè)計(jì)滿(mǎn)足要求；否則，氣瓶設(shè)計(jì)不滿(mǎn)足要求，需要重新設(shè)計(jì)。本發(fā)明設(shè)計(jì)全面，能夠保證氣瓶性能滿(mǎn)足要求。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及工作于77K～93K低溫環(huán)境下的復(fù)合材料氣瓶設(shè)計(jì)方法，屬于低溫壓力容器領(lǐng)域。

背景技術(shù)

國(guó)內(nèi)新一代無(wú)毒無(wú)污染低溫運(yùn)載火箭使用低溫推進(jìn)劑，后續(xù)新一代載人火箭及重型運(yùn)載火箭也使用低溫推進(jìn)劑。新一代載人、重型運(yùn)載火箭對(duì)運(yùn)載能力提出了更高的要求，因此結(jié)構(gòu)系統(tǒng)應(yīng)具備更高的結(jié)構(gòu)效率。氣瓶是液體運(yùn)載火箭增壓系統(tǒng)關(guān)鍵部件，用于貯存高壓氣體介質(zhì)為推進(jìn)劑貯箱增壓或補(bǔ)壓。將氣瓶放置在液氫、液氧推進(jìn)劑貯箱內(nèi)，利用推進(jìn)劑低溫環(huán)境，可以大幅提升氣瓶?jī)?nèi)部氣體密度，提高貯氣能力，從而減少需求氣瓶的數(shù)量，降低箭體結(jié)構(gòu)重量。

國(guó)外Falcon?9火箭已成功應(yīng)用了液氧低溫復(fù)合材料氣瓶。根據(jù)分析計(jì)算，對(duì)于35MPa氦氣，90K時(shí)氣體密度是常溫的2.4倍，因此高壓氣瓶置于液氧環(huán)境中，貯氣重量可提高1.4倍，氣瓶結(jié)構(gòu)重量大幅降低。

低溫復(fù)合材料氣瓶設(shè)計(jì)相對(duì)常溫復(fù)合材料氣瓶設(shè)計(jì)更加復(fù)雜，需要考慮復(fù)合材料低溫下各方向力學(xué)性能變化、復(fù)合材料與內(nèi)襯材料線(xiàn)膨脹系數(shù)的差異等，目前的設(shè)計(jì)方法考慮并不全面，可能導(dǎo)致氣瓶性能不滿(mǎn)足要求。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的技術(shù)解決問(wèn)題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供低溫復(fù)合材料氣瓶設(shè)計(jì)方法。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：

低溫復(fù)合材料氣瓶設(shè)計(jì)方法，包括如下步驟：

步驟一、設(shè)計(jì)鋪層參數(shù)，利用復(fù)合材料纖維對(duì)氣瓶進(jìn)行鋪層，進(jìn)入步驟二；

步驟二、利用網(wǎng)格理論計(jì)算氣瓶的常溫強(qiáng)度和低溫強(qiáng)度，判斷常溫強(qiáng)度和低溫強(qiáng)度是否滿(mǎn)足要求，若不滿(mǎn)足要求，返回步驟一，修改鋪層參數(shù)；若滿(mǎn)足要求，則進(jìn)入步驟三；所述低溫是指77K～93K；

步驟三、對(duì)氣瓶建立有限元模型，分析計(jì)算氣瓶常溫和低溫工作壓力下內(nèi)襯的應(yīng)力狀態(tài)、常溫和低溫零壓力下內(nèi)襯的應(yīng)力狀態(tài)和低溫工作壓力下纏繞層最外層纖維方向的應(yīng)力，判斷是否滿(mǎn)足以下三點(diǎn)：

常溫和低溫工作壓力下內(nèi)襯Mises應(yīng)力是否不超過(guò)材料的屈服極限；

常溫和低溫零壓力下內(nèi)襯結(jié)構(gòu)是否完整穩(wěn)定；

低溫工作壓力下纏繞層最外層纖維方向的應(yīng)力是否不大于σ_d1/n；σ_d1為77K～93K低溫條件下復(fù)合材料纖維方向的拉伸強(qiáng)度，n表示強(qiáng)度安全系數(shù)；

若滿(mǎn)足，則氣瓶設(shè)計(jì)滿(mǎn)足要求；否則，氣瓶設(shè)計(jì)不滿(mǎn)足要求，需要重新設(shè)計(jì)。

所述步驟一中，鋪層參數(shù)包括鋪層角度和每一角度下的層數(shù)。

所述步驟二中，氣瓶的常溫強(qiáng)度用常溫爆破壓力表征，當(dāng)氣瓶的常溫爆破壓力大于常溫設(shè)計(jì)爆破壓力p_bc時(shí)，認(rèn)為氣瓶的常溫強(qiáng)度滿(mǎn)足要求；氣瓶的低溫強(qiáng)度用低溫爆破壓力表征，當(dāng)氣瓶的低溫爆破壓力大于低溫設(shè)計(jì)爆破壓力p_bd時(shí)，認(rèn)為氣瓶的低溫強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。

按照如下方法計(jì)算氣瓶的爆破強(qiáng)度：

(1)利用如下公式計(jì)算氣瓶的軸向強(qiáng)度