[發明專利]一種金屬內膽碳纖維復合材料氣瓶的疲勞壽命分析方法

有效

• 申請號: 202110146904.5
• 申請日: 2021-02-03
• 公開（公告）號: CN112906264B
• 公開（公告）日: 2022-09-23
• 發明（設計）人: 吳喬國;祖磊;張騫;張桂明;韓丁;康凱;王乾坤
• 申請（專利權）人: 合肥工業大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23
• 代理公司: 合肥和瑞知識產權代理事務所(普通合伙) 34118
• 代理人: 王挺

本發明公開了一種金屬內膽碳纖維復合材料氣瓶的疲勞壽命分析方法，本發明考慮了復合材料正交各向異性、復合材料層實際纖維纏繞角度和纏繞層數、復合材料層多種失效模式及其漸進損傷特性、金屬內膽在自緊壓力及循環壓力等多種載荷作用下的復雜應力狀態等因素的綜合影響，彌補了現有技術中試驗方法成本高、耗時長的問題，可實現金屬內膽碳纖維復合材料氣瓶的高效合理預測，使用范圍廣，具有工程應用價值。

技術領域

本發明涉及安全工程技術領域，尤其是一種金屬內膽碳纖維復合材料氣瓶的疲勞壽命分析方法。

背景技術

金屬內膽碳纖維復合材料氣瓶因具有質量輕、強度高、抗疲勞性能好和結構設計靈活等優點，在加氫站儲氫、燃料電池汽車車載儲氫、長管拖車氣體儲運等領域得到廣泛應用。然而，氣瓶在使用過程中會承受多次氣體充放引起的循環加壓和卸壓，造成氣瓶疲勞損傷，甚至會導致氣瓶因產生疲勞裂紋而引發泄漏爆炸等嚴重后果。為提升該類氣瓶的設計水平和使用安全性，需要對氣瓶在循環內壓作用下的疲勞壽命進行預測，以達到既保證安全又減少成本的目的。

目前，金屬內膽碳纖維復合材料氣瓶的疲勞壽命分析主要集中在試驗方面，需要耗費大量的時間、人力和物力。由于影響金屬內膽碳纖維復合材料氣瓶的疲勞壽命的因素較多，如復合材料層具有正交各向異性特點，復合材料層纖維纏繞角度、纏繞層數和纏繞序列靈活多變，復合材料層損傷和失效模式復雜多樣，金屬內膽在自緊壓力及循環內壓等多種載荷作用下的應力狀態較為復雜等，現有技術中，能夠綜合考慮上述因素對金屬內膽碳纖維復合材料氣瓶疲勞壽命進行數值預測的方法尚缺乏研究，為金屬內膽碳纖維復合材料氣瓶的疲勞壽命的高效合理評估帶來了困難。

現有技術中的試驗測試方法，對于每種特定規格的氣瓶設計，為了達到滿足要求的疲勞壽命，都需要通過試錯的方法進行多次氣瓶制造及氣瓶疲勞性能試驗測試，需要耗費較多的材料費、加工制造費及試驗測試費，且氣瓶制造與氣瓶疲勞性能試驗測試需耗費較長時間。

發明內容

為了克服上述現有技術中的缺陷，本發明提供一種金屬內膽碳纖維復合材料氣瓶的疲勞壽命分析方法，彌補了現有技術中試驗方法成本高、耗時長的問題，可實現金屬內膽碳纖維復合材料氣瓶的高效合理預測，使用范圍廣，具有工程應用價值。

為實現上述目的，本發明采用以下技術方案，包括：

一種金屬內膽碳纖維復合材料氣瓶的疲勞壽命分析方法，包括以下步驟：

S1，測試獲得金屬內膽材料的彈性模量E和屈服強度σ_y；

S2，測試金屬內膽材料的疲勞性能數據，具體如下所示：

S201，當測試循環應力的最大值σ_max小于屈服強度σ_y，即σ_max＜σ_y，則按照GB/T3075-2020的金屬材料疲勞試驗軸向力控制方法，分別測試金屬內膽材料在應力比R_σ＝-1、不同應力幅σ_a下的疲勞壽命N_f；

S202，當測試循環應力的最大值σ_max大于或等于屈服強度σ_y，即σ_max≥σ_y，則按照GB/T 26077-2020的金屬材料疲勞試驗軸向應變控制方法，分別測試金屬內膽材料在應變比R_ε＝-1、不同應變幅ε_a下的疲勞壽命N_f；

將金屬材料疲勞試驗軸向應變控制方法中測試所用的不同應變幅ε_a分別乘以金屬內膽材料的彈性模量E，分別計算得到金屬材料疲勞試驗軸向應變控制方法中各應變幅ε_a所對應的不同應力幅σ_a，σ_a＝Eε_a；