[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

一種關于金屬內襯纖維纏繞氣瓶的承載能力的預測方法，屬于高壓氣瓶制造技術領域。首先，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。其次，對氣瓶施加自緊壓力并卸壓，模擬氣瓶出廠前的自緊過程：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。最后，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。本發明結合實際工程經驗，將泄露通道作為極限承載能力判據；將本發明的預測結果與實驗結果對比，誤差小于2％，說明本發明的數值模型可以準確預測金屬內襯復合材料氣瓶極限承載能力。

技術領域

本發明屬于高壓氣瓶制造技術領域，涉及一種含金屬內襯纖維纏繞氣瓶的承載能力的預測方法。

背景技術

復合材料氣瓶具有比重小、耐疲勞等特點，現在已廣泛應用于航空航天、新能源汽車等領域。復合材料氣瓶的承載能力關系到人員和設備的安全，因此需要準確預測氣瓶的極限承載能力。由于纖維纏繞氣瓶的復合層是纖維增強復合材料層壓結構，故分析力學行為時要用到各向異性層壓結構理論。但目前進行結構理論分析時還只能得到彈性解。而纖維纏繞氣瓶在爆破發生之前就已經伴隨大量的脫膠、基體開裂、局部纖維斷裂和分層等現象發生，這些屬于大變形、非線性問題，難以對其在本構方程中準確描述。因此，層合板理論還不能準確預測纖維纏繞氣瓶的承載能力。由于各項異性的材料的復雜力學特性，至今還不能用完全準確的方法預測。

[徐明林；吳曉青；安明康.UHMWPE纖維纏繞鋁內襯復合材料氣瓶承載能力預測]通過在復合材料氣瓶的有限元模型上選取能夠代表所有點的一條線，選取其中的最大應變點，提取此點在不同載荷下的最大應變，根據最大應變準則，預測其承載能力；

[劉培啟；楊帆；黃強華等.T700碳纖維增強樹脂復合材料氣瓶封頭非測地線纏繞強度[J].復合材料學報.]通過復合材料單元損傷退化后的非線性有限元迭代計算是否收斂作為氣瓶結構失效的標志。

從上述分析可以看出，關于復合材料氣瓶的失效判據并不明確，其判斷準則也各不相同。由于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，若相同位置的纏繞層全部發生基體開裂，則會形成泄露通道，導致氣瓶功能性失效(泄露)。相比于現有判斷氣瓶失效方法，以此為判據對氣瓶失效進行預測將更加貼近工程實際，會取得更準確的預測結果。

發明內容

針對現有技術存在的問題，本發明提供一種適用于金屬內襯復合材料纏繞氣瓶的極限承載能力確定方法，能夠解決現有技術中存在的下述問題：極限強度是衡量氣瓶質量優劣的重要指標，有限元分析是比較準確的預測方法之一，但是關于復合材料氣瓶的失效判據并不明確，其判斷準則也各不相同，現有的數值模型無法準確預測氣瓶的極限承載能力。

為了達到上述目的，本發明采用的技術方案為：

一種關于金屬內襯纖維纏繞氣瓶的承載能力的預測方法，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由式(2)確定：