一种耐外压碳纤维复合材料筒体结构设计方法技术

本发明专利技术涉及复合材料筒体设计领域，特别涉及一种耐外压碳纤维复合材料筒体结构设计方法。其包括以下步骤：a、确定所设计筒体的结构尺寸参数，确定所述所设计筒体的铺层拟选用碳纤维复合材料的材料性能参数；b、确定所述碳纤维复合材料的缠绕角度；c、计算所述所设计筒体的所述铺层的等效性能参数；d、计算所述所设计筒体的外压临界压力；e、判断计算获得的所述外压临界压力是否大于工作压力；f、计算所述所设计筒体的内部应力参数；g、判断所述所设计筒体的所述内部应力参数是否小于材料强度参数。本发明专利技术的目的在于提供一种耐外压碳纤维复合材料筒体结构设计方法，以解决现有的耐外压碳纤维复合材料筒体结构设计方法计算成本大、设计不准确的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种耐外压碳纤维复合材料筒体结构设计方法
本专利技术涉及复合材料筒体设计领域，特别涉及一种耐外压碳纤维复合材料筒体结构设计方法。
技术介绍
具有轻质高强、可设计性、耐腐蚀等特点的碳纤维复合材料应用于深海滑翔机外压筒体时，与金属材料外压筒体相比可提供更多的有效载荷延长深海滑翔机的服役周期。对于静水压力作用下的外压筒体现已有多种设计方法，如GB150，潜艇设计规范，ASME-X等均提供了相应的理论设计方法，但均只适用于径厚比大于20的薄壁容器，随着下潜深度的增加为保证结构的可靠服役需要相应地增加壁厚导致原设计方案不再适用。虽然基于经典层合理论的有限元方法可用于深海滑翔机碳纤维复合材料外压筒体的设计，但在铺层设计时通常无法考虑铺层顺序对筒体结构承载能力的影响，需要通过多次计算迭代比较筒体结构的承载安全裕度以确定近似最优方案，既无法充分发挥复合材料的承载潜力又耗费了大量的计算成本。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种耐外压碳纤维复合材料筒体结构设计方法，以解决现有的耐外压碳纤维复合材料筒体结构设计方法计算成本大、设计不准确的问题。本专利技术的目的是由下述技术方案实现的：一种耐外压碳纤维复合材料筒体结构设计方法，其包括以下步骤：a、确定所设计筒体的结构尺寸参数，确定所述所设计筒体的铺层拟选用碳纤维复合材料的材料性能参数；b、确定所述碳纤维复合材料的缠绕角度；c、计算所述所设计筒体的所述铺层的等效性能参数；d、计算所述所设计筒体的外压临界压力；e、判断计算获得的所述外压临界压力是否大于工作压力，若大于则进行下一步，若不大于则返回步骤b重新调整所述碳纤维复合材料的所述缠绕角度，进行新一轮的结构设计；f、计算所述所设计筒体的内部应力参数；g、判断所述所设计筒体的所述内部应力参数是否小于材料强度参数，若小于则输出设计方案，若不小于则返回步骤b重新调整所述碳纤维复合材料的所述缠绕角度，进行新一轮的结构设计。进一步的，步骤a中，所述结构尺寸参数包括：筒体长度、筒体内径、筒体外径、筒体厚度、最大允许重量。进一步的，步骤a中，所述材料性能参数包括：纤维方向弹性模量、纤维横向弹性模量、面内泊松比、副泊松比、面内剪切模量、纤维方向拉伸强度、纤维方向压缩强度、纤维横向拉伸强度、纤维横向压缩强度、面内剪切强度、单层厚度。进一步的，步骤b中，所述缠绕角度通过如下方式确定：所述所设计筒体的外侧和内侧的所述铺层的所述缠绕角度为60°～89°，中间的所述铺层的所述缠绕角度为30°～50°。进一步的，步骤c中，所述等效性能参数包括：环向模量、轴向模量，泊松比、环向弯曲模量、轴向弯曲模量。进一步的，步骤c中，根据下列公式计算所述等效性能参数：Q66＝G12其中：ν12表示面内泊松比；ν21表示副泊松比；E1表示纤维方向弹性模量；E2表示纤维横向弹性模量；G12表示面内剪切模量；θ表示缠绕角度；N表示总的铺层数；k表示当前铺层序号；Z表示当前铺层的厚度坐标；i，j表示自然数，分别取1，2，6；t表示筒体厚度；Eh表示环向模量；Ea表示轴向模量；νah表示泊松比；Ehf表示环向弯曲模量；Eaf表示轴向弯曲模量。进一步的，步骤d中，根据下列公式计算所述外压临界压力：C21＝C12C31＝C13C32＝C23其中：Pcr表示外压临界压力；m表示所述所设计筒体的轴向失稳时的半波数，取1；n表示所述所设计筒体环向失稳时的半波数取3；R表示所述所设计筒体的外半径；F表示设计的安全系数；L表示筒体长度。进一步的，步骤f中，所述内部应力参数包括：径向应力，环向应力和轴向应力。进一步的，步骤f中，根据下列公式计算所述设计筒体的所述内部应力参数：其中:a表示所述所设计筒体的外半径；b表示所述所设计筒体的外半径；r为所述所设计筒体的坐标；σr表示径向应力；σh表示环向应力；σz表示轴向应力；Pw表示工作压力。进一步的，步骤g中，按照如下方式判断所述所设计筒体的所述内部应力参数是否小于材料强度参数：判断环向应力是否小于纤维方向压缩应力；和/或，判断轴向应力是否小于纤维横向方向的压缩强度。本专利技术与现有技术相比具有如下优点：1.本专利技术所述耐外压碳纤维复合材料筒体结构设计方法，其包括以下步骤：a、确定所设计筒体的结构尺寸参数，确定所述所设计筒体的铺层拟选用碳纤维复合材料的材料性能参数；b、确定所述碳纤维复合材料的缠绕角度；c、计算所述所设计筒体的所述铺层的等效性能参数；d、计算所述所设计筒体的外压临界压力；e、判断计算获得的所述外压临界压力是否大于工作压力，若大于则进行下一步，若不大于则返回步骤b重新调整所述碳纤维复合材料的所述缠绕角度，进行新一轮的结构设计；f、计算所述所设计筒体的内部应力参数；g、判断所述所设计筒体的所述内部应力参数是否小于材料强度参数，若小于则输出设计方案，若不小于则返回步骤b重新调整所述碳纤维复合材料的所述缠绕角度，进行新一轮的结构设计；本专利技术通过基本材料、筒体结构参数和铺层角度顺序即可实现筒体承载能力的快速核算，避免了有限元、差分法等数值方法繁琐的建模、求解、后处理等分析流程，有效缩短了设计周期；此外，该解析方法并非简单的材料属性等效，通过A、B、D阵考虑了铺层顺序对其面内弹性模量、弯曲弹性模量、铺层耦合效应和泊松效应的影响，比较真实地反映出了碳纤维复合材料在深海滑翔机外压筒体中的结构响应，修正了传统解析方法仅考虑面内弹性模量的引起的结果误差。附图说明图1为本专利技术所述耐外压碳纤维复合材料筒体结构设计方法流程图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。在本专利技术的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利技术的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。参见图1，一种耐外压碳纤维复合材料筒体结构设计方法，其包括以下步骤：a、确定所设计筒体的结构尺寸参数，确定所述所设计筒体的铺层拟选用碳纤维复合材料的材料性能参数；b、确定所述碳纤维复合材料的缠绕角度；c、计算所述所设计筒体的所述铺层的等效性能参数；d、计算所述所设计筒体的外压临界压力；e、判断计算获得的所述外压临界压力是否大于工作压力，若大于则进行下一步，若不大于则返回步骤b重新调整所述碳纤维复合材料的所述缠绕角度，进行新一轮的结构设计；工作压力表示所设计筒体应用时的工作压力；f、计算所述所设计筒体的内部应力参数；g、判断所述所设计筒体的所述内部应力参数是否小于材料强度参数，若小于则输出设计方案，若不小于则返回步骤b重新调整所述碳纤维复合材料的所述缠绕角度，进行新一轮的结构设计。本专利技术通过基本材料、筒体结构参数和铺层角度顺序即可实现筒体承载能力的快速核算，避免了有限元、差分法等数值方法繁本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种耐外压碳纤维复合材料筒体结构设计方法，其特征在于，包括以下步骤：a、确定所设计筒体的结构尺寸参数，确定所述所设计筒体的铺层拟选用碳纤维复合材料的材料性能参数；b、确定所述碳纤维复合材料的缠绕角度；c、计算所述所设计筒体的所述铺层的等效性能参数；d、计算所述所设计筒体的外压临界压力；e、判断计算获得的所述外压临界压力是否大于工作压力，若大于则进行下一步，若不大于则返回步骤b重新调整所述碳纤维复合材料的所述缠绕角度，进行新一轮的结构设计；f、计算所述所设计筒体的内部应力参数；g、判断所述所设计筒体的所述内部应力参数是否小于材料强度参数，若小于则输出设计方案，若不小于则返回步骤b重新调整所述碳纤维复合材料的所述缠绕角度，进行新一轮的结构设计。

【技术特征摘要】
1.一种耐外压碳纤维复合材料筒体结构设计方法，其特征在于，包括以下步骤：a、确定所设计筒体的结构尺寸参数，确定所述所设计筒体的铺层拟选用碳纤维复合材料的材料性能参数；b、确定所述碳纤维复合材料的缠绕角度；c、计算所述所设计筒体的所述铺层的等效性能参数；d、计算所述所设计筒体的外压临界压力；e、判断计算获得的所述外压临界压力是否大于工作压力，若大于则进行下一步，若不大于则返回步骤b重新调整所述碳纤维复合材料的所述缠绕角度，进行新一轮的结构设计；f、计算所述所设计筒体的内部应力参数；g、判断所述所设计筒体的所述内部应力参数是否小于材料强度参数，若小于则输出设计方案，若不小于则返回步骤b重新调整所述碳纤维复合材料的所述缠绕角度，进行新一轮的结构设计。2.根据权利要求1所述的耐外压碳纤维复合材料筒体结构设计方法，其特征在于，步骤a中，所述结构尺寸参数包括：筒体长度、筒体内径、筒体外径、筒体厚度、最大允许重量。3.根据权利要求2所述的耐外压碳纤维复合材料筒体结构设计方法，其特征在于，步骤a中，所述材料性能参数包括：纤维方向弹性模量、纤维横向弹性模量、面内泊松比、副泊松比、面内剪切模量、纤维方向拉伸强度、纤维方向压缩强度、纤维横向拉伸强度、纤维横向压缩强度、面内剪切强度、单层厚度。4.根据权利要求3所述的耐外压碳纤维复合材料筒体结构设计方法，其特征在于，步骤b中，所述缠绕角度通过如下方式确定：所述所设计筒体的外侧和内侧的所述铺层的所述缠绕角度为60°～89°，中间的所述铺层的所述缠绕角度为30°～50°。5.根据权利要求4所述的耐外压碳纤维复合材料筒体结构设计方法，其特征在于，步骤c中，所述等效性能参数包括：环向模量、轴向模量，泊松比、环向弯曲模量、轴向弯曲模量。6.根据权利要求5所...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄其忠，王亚朋，王鹏飞，彭玉刚，田谋锋，黄巧艳，
申请(专利权)人：北京玻钢院复合材料有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11