[發明專利]一種關于金屬內襯纖維纏繞氣瓶的承載能力的預測方法

有效

• 申請號: 202110007406.2
• 申請日: 2021-01-05
• 公開（公告）號: CN112613220B
• 公開（公告）日: 2022-09-30
• 發明（設計）人: 王磊;薛姝楠;吳玉偉;任明法;王博
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F113/26;G06F119/14
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 李曉亮;潘迅

1.一種關于金屬內襯纖維纏繞氣瓶的承載能力的預測方法，其特征在于，包括以下步驟：

第一步，建立包含變角度、變厚度的封頭段纏繞層的復合材料氣瓶有限元模型；

1.1)調用復合材料氣瓶的尺寸和材料屬性信息，初步建立復合材料氣瓶模型，此時模型為等厚度有限元模型；

1.2)對復合材料單元信息進行修改，單元信息包括鋪層角度和厚度；其中，封頭段纏繞層采用變角度和變厚度設置，建立復合材料氣瓶變厚度有限元模型；

所述封頭段纏繞層角度α由公式(1)確定：

α＝arcsin(d/D₀) (1)

式中，d為內襯極軸直徑，D₀為直筒段外直徑；

所述封頭段纏繞層的厚度t_f由公式(2)確定：

式中：為螺旋纏繞層α₀在直筒段的厚度；D為封頭該點到中軸線的距離；D₀為直筒段的外徑；d₀為內襯極軸半徑；

1.3)對復合材料氣瓶有限元模型進行網格劃分；

第二步，對氣瓶施加自緊壓力并卸壓，模擬氣瓶出廠前的自緊過程；

首先，施加自緊力，內襯進入屈服階段；然后，逐漸卸載，完成復合材料氣瓶自緊處理過程；

第三步，在線性增壓過程中，對復合材料氣瓶進行漸進損傷分析，并對其承載能力進行預測；

3.1)對金屬內襯進行失效分析，對失效單元進行標記；

根據設置的加載步長，對復合材料氣瓶施加均勻內壓P，提取有限元計算結果中每個內襯單元的Mises應變，對內襯單元進行失效分析；失效分析采用最大應變準則，即當單元的Mises應變超過其極限應變時，判定單元失效，并對失效單元進行標記；

3.2)對復合材料單元進行失效分析，根據其失效形式進行相應的剛度折減，對失效單元進行標記；

對于復合材料纏繞層，提取有限元計算結果中每個復合材料單元的應力，進行失效分析，并對已判斷失效的單元進行標記；

復合材料主要的失效形式包括基體開裂和纖維斷裂；采用蔡吳(Tsai-Wu)準則判斷基體開裂損傷；采用最大應力準則判斷纖維斷裂損傷；當復合材料纏繞層出現初始損傷后，結構不會馬上失效，而是仍然具有一定的承載能力，但是纏繞層的剛度出現一定程度的退化，需要對失效單元進行剛度折減；采用Camanho剛度退化模型進行相應的單元損傷折減；具體如下：

3.3)極限承載能力判定；

復合材料氣瓶的內襯主要起密封作用，防止內部承裝的高壓氣體或液體滲漏；當內襯發生破壞后，若復合材料纏繞層在相同位置每層均發生失效，則會形成泄露通道，導致氣瓶功能性失效，即泄露；將此作為極限承載能力判據；對泄露通道的判定方法具體如下：

對比已標記的金屬內襯失效單元和復合材料層失效的位置，當失效位置重合時，認為形成泄露通道，此時復合材料氣瓶整體失效，獲得復合材料氣瓶的極限承載能力；若失效位置沒有重合，認為沒有形成泄露通道，增加1個載荷增量△P，重復上述1.2、1.3過程直至產生泄露通道。

2.根據權利要求1所述的一種關于金屬內襯纖維纏繞氣瓶的承載能力的預測方法，其特征在于，步驟3.1)中所述最大應變準則為：

ε₁ε_xt (3)

式中，ε_xt為最大拉伸線應變；ε₁為拉伸應變；其中，ε₁是由有限元計算獲得，ε_xt為已知的固定材料屬性；當計算的ε₁值大于或等于ε_xt時，基于最大應變準則認為內襯單元發生破壞。