【技术实现步骤摘要】
一种高压复合材料气瓶的缠绕张力设计方法
本专利技术涉及高压复合材料储气瓶领域，尤其涉及一种高压复合材料气瓶的缠绕张力设计方法。
技术介绍
复合材料气瓶由于具有高比强度、比模量、性能可设计等优点，在高压储氢领域有着越来越广泛的应用。为了提高储氢量，复合材料储气瓶朝着高压方向发展。为了提高气瓶的工作压力，复合材料气瓶碳纤维的缠绕层数越来越多。随着缠绕层数的增加，厚壁效应越来越明显，从里层到外层纤维应力逐渐下降。当内层纤维满足破坏条件时，外层纤维远没达到破坏条件，强度没有完全发挥出来，导致当纤维缠绕层数达到一定数目后，增加缠绕层数，气瓶的承载能力没有显著增加，成为制约高压复合材料储气瓶发展和应用的技术瓶颈。为了解决这一技术难题，国外公司曾提出修改气瓶内胆设计并将环向缠绕层布置在内侧的方法，提高纤维强度利用率，降低纤维缠绕层数，减少气瓶重量。但是该方法在内胆封头与筒体交接处引入了几何突变点，增加了应力集中系数，同时每层纤维起始铺层位置都要作出改变，增加了缠绕难度。缠绕张力对复合材料气瓶力学性能有重要影响，常用的等张力设计方法...
【技术保护点】
1.一种高压复合材料气瓶的缠绕张力设计方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1、建立高压复合材料储气瓶的有限元数值模型，分析在内压作用下纤维方向应力沿着厚度方向的分布规律；/nS2、设计各层复合材料初始缠绕张力，根据每层复合材料与第一层的应力差，基于线性叠加原理，设置每层由于缠绕张力所产生的残余应力，弥补每层应力与第一层的应力差；/nS3、建立考虑缠绕张力的复合材料储气瓶有限元分析模型，分析在内压作用下各层应力的分布特性，如果各层应力与第一层的应力差在设定范围内，确定各层的缠绕应力，否则进入步骤S2。/n
【技术特征摘要】
1.一种高压复合材料气瓶的缠绕张力设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、建立高压复合材料储气瓶的有限元数值模型，分析在内压作用下纤维方向应力沿着厚度方向的分布规律；
S2、设计各层复合材料初始缠绕张力，根据每层复合材料与第一层的应力差，基于线性叠加原理，设置每层由于缠绕张力所产生的残余应力，弥补每层应力与第一层的应力差；
S3、建立考虑缠绕张力的复合材料储气瓶有限元分析模型，分析在内压作用下各层应力的分布特性，如果各层应力与第一层的应力差在设定范围内，确定各层的缠绕应力，否则进入步骤S2。
2.根据权利要求1所述的一种高压复合材料气瓶的缠绕张力设计方法，其特征在于，步骤S1具体如下：
S11、根据内胆的几何形貌以及厚度信息，建立内胆的几何模型；
S12、根据复合材料层的铺层厚度和层数，结合每一层的铺层角度θ和厚度tf在封头上随着半径r的变化规律，建立复合材料层几何模型，并与内胆层相结合；
S13、分别对内胆和复合材料进行网格划分，每层复合材料采用三维实体单元；
S14、分别对内胆和复合材料进行属性设置，所述属性设置包括复合材料层封头处不同位置纤维方向和局部坐标的设置；
S15、施加边界条件和载荷并求解，求解完成之后，提取复合材料层每层的应力，获得纤维承受应力沿着厚度方向的分布规律。
3.根据权利要求2所述的一种高压复合材料气瓶的缠绕张力设计方法，其特征在于，步骤S11中在周向上截取5°。
4.根据权利要求2所述的一种高压复合材料气瓶的缠绕张力设计方法，其特征在于，步骤S12的变化规律如下式所示：
θ＝arcsin(ro/r)
式中ro为极孔半径，R为筒身半径，tfθ为复合材料在筒身处的单层厚度。
5.根据权利要求1所述的一种高压复合材料气瓶的缠绕张力设计方法，其特征在于，步骤S15中施加边界条件和载荷包括以下步骤：在截面上施加对称边界条件，固定气瓶一个端面的轴向位移，施...
【专利技术属性】
技术研发人员：江勇，范志超，陈学东，徐鹏，薛吉林，
申请(专利权)人：合肥通用机械研究院有限公司，合肥通用机械研究院特种设备检验站有限公司，
类型：发明
国别省市：安徽;34
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