[發(fā)明專利]一種高壓儲(chǔ)氫氣瓶封頭擴(kuò)孔纏繞設(shè)計(jì)方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202210983762.2
• 申請(qǐng)日: 2022-08-16
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN115392078A
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-11-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 金碧輝;何春輝;孫磊;成志鋼;鄒宏偉
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 張家港氫云新能源研究院有限公司;江蘇國(guó)富氫能技術(shù)裝備股份有限公司
• 主分類號(hào): G06F30/23
• 分類號(hào): G06F30/23;G06F113/26;G06F119/14
• 代理公司: 南京蘇科專利代理有限責(zé)任公司 32102
• 代理人: 陳望坡

本發(fā)明公開(kāi)了一種高壓儲(chǔ)氫氣瓶封頭擴(kuò)孔纏繞設(shè)計(jì)方法，采用網(wǎng)格理論預(yù)計(jì)算筒段的螺旋纏繞角度及螺旋纏繞層、環(huán)向纏繞層厚度，根據(jù)網(wǎng)格理論預(yù)計(jì)算的結(jié)果并結(jié)合實(shí)際工藝經(jīng)驗(yàn)調(diào)整纏繞層環(huán)向與縱向的壓強(qiáng)比，給出滿足爆破壓力的擴(kuò)孔纏繞鋪層設(shè)計(jì)方案，然后將擴(kuò)孔纏繞鋪層設(shè)計(jì)方案導(dǎo)入至纏繞模擬軟件中，確認(rèn)纏繞的可行性，并根據(jù)封頭處纖維堆積的情況進(jìn)行鋪層纏繞方案的調(diào)整，再將滿足纏繞工藝的封頭厚度及角度導(dǎo)出整理，進(jìn)行復(fù)合材料有限元模型的建立，并進(jìn)行爆破壓力下的強(qiáng)度校驗(yàn)，反復(fù)修改纏繞設(shè)計(jì)，直到滿足要求，最后將滿足設(shè)計(jì)要求的纏繞方案輸出為纏繞機(jī)可識(shí)別G代碼。本發(fā)明具有能使封頭纏繞滿足爆破壓力要求且能達(dá)到輕量化設(shè)計(jì)目的的優(yōu)點(diǎn)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及復(fù)合材料壓力容器技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種高壓儲(chǔ)氫氣瓶封頭擴(kuò)孔纏繞設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有較高的比強(qiáng)度、比剛度和性能可設(shè)計(jì)等一系列的優(yōu)點(diǎn)。目前，纖維纏繞壓力容器經(jīng)早期的全金屬壓力容器(I型)、環(huán)向纖維增強(qiáng)金屬內(nèi)襯壓力容器(II型)、全纖維纏繞金屬內(nèi)襯壓力容器(III型)到如今的全纖維纏繞塑料內(nèi)襯壓力容器(IV型)，增強(qiáng)纖維的使用使壓力容器更好的滿足了其“輕”和“可靠”的要求。

其中IV型氣瓶主要由塑料內(nèi)襯、金屬接頭、碳纖維纏繞層、外保護(hù)層以及密封結(jié)構(gòu)組成。內(nèi)襯不承受載荷，纏繞時(shí)可作為芯模和防止儲(chǔ)存介質(zhì)泄漏的作用。復(fù)合材料纏繞層是采用連續(xù)碳纖維浸漬樹(shù)脂或預(yù)浸料單向帶，按照鋪層設(shè)計(jì)工藝?yán)p繞在芯模上，然后通過(guò)加熱固化而成。復(fù)合材料纏繞層作為主要承載，并為IV型氣瓶提供強(qiáng)度，因此復(fù)合材料纏繞層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成為車載復(fù)合材料氣瓶研制的重點(diǎn)與難點(diǎn)。

目前IV型高壓儲(chǔ)氫氣瓶的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)制造工藝并不夠成熟，存在精度低、試驗(yàn)量大、成本浪費(fèi)、設(shè)計(jì)效率低下、適用范圍窄等缺點(diǎn)。雖然采用傳統(tǒng)的網(wǎng)格理論或?qū)影謇碚撛O(shè)計(jì)方法在筒段計(jì)算較為可靠，但很難準(zhǔn)確計(jì)算封頭處的纏繞角及纏繞層厚度，且與實(shí)際存在較大誤差，會(huì)使封頭出現(xiàn)纏繞厚度設(shè)計(jì)不足問(wèn)題，導(dǎo)致爆破時(shí)封頭位置先失效，從而造成安全隱患；或者封頭處纏繞厚度設(shè)計(jì)過(guò)余，無(wú)法快速進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，造成材料的浪費(fèi)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種能使封頭纏繞滿足爆破壓力要求且能達(dá)到輕量化設(shè)計(jì)目的的高壓儲(chǔ)氫氣瓶封頭擴(kuò)孔纏繞設(shè)計(jì)方法。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案：一種高壓儲(chǔ)氫氣瓶封頭擴(kuò)孔纏繞設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：

步驟(1)：根據(jù)碳纖維材料物理屬性、設(shè)計(jì)爆破壓力和內(nèi)襯結(jié)構(gòu)，采用網(wǎng)格理論預(yù)計(jì)算筒段的螺旋纏繞角度、螺旋纏繞層厚度、以及環(huán)向纏繞層厚度；

步驟(2)：根據(jù)步驟(1)得到的筒段螺旋纏繞角度、筒段螺旋纏繞層厚度、以及筒段環(huán)向纏繞層厚度計(jì)算出筒段螺旋纏繞層爆破壓強(qiáng)、筒段環(huán)向纏繞層爆破壓強(qiáng)、以及筒段環(huán)向纏繞層爆破壓強(qiáng)與筒段螺旋纏繞層爆破壓強(qiáng)的爆破壓強(qiáng)比η；

步驟(3)：判斷步驟(2)得到的爆破壓強(qiáng)比η是否滿足0.6≤η≤0.7，如果不滿足，則跳轉(zhuǎn)執(zhí)行步驟(4)；如果滿足，則跳轉(zhuǎn)執(zhí)行步驟(5)；

步驟(4)：重新調(diào)整筒段螺旋纏繞層厚度與筒段環(huán)向纏繞層厚度，并根據(jù)調(diào)整后的筒段螺旋纏繞層厚度與筒段環(huán)向纏繞層厚度采用網(wǎng)格理論重新預(yù)計(jì)算出調(diào)整后的筒段螺旋纏繞層爆破壓強(qiáng)、筒段環(huán)向纏繞層爆破壓強(qiáng)、以及筒段環(huán)向纏繞層爆破壓強(qiáng)與筒段螺旋纏繞層爆破壓強(qiáng)的爆破壓強(qiáng)比η，判斷調(diào)整后的爆破壓強(qiáng)比η是否滿足0.6≤η≤0.7，如果不滿足，則重復(fù)步驟(4)，如果滿足，則跳轉(zhuǎn)執(zhí)行步驟(5)；

步驟(5)：根據(jù)網(wǎng)格理論預(yù)計(jì)算出的符合爆破壓強(qiáng)比要求的筒段螺旋纏繞層厚度及筒段環(huán)向纏繞層厚度，對(duì)氣瓶封頭進(jìn)行擴(kuò)孔纏繞鋪層方案設(shè)計(jì)；

步驟(6)：根據(jù)氣瓶封頭擴(kuò)孔纏繞鋪層方案，采用纏繞模擬軟件進(jìn)行纏繞合理性分析并計(jì)算輸出封頭平行圓處所對(duì)應(yīng)的復(fù)合材料厚度及纏繞角度；

步驟(7)：將步驟(6)得到的計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入建模軟件中進(jìn)行復(fù)合材料的有限元建模；