一种碳纤维缠绕气瓶及其健康状态的监测方法技术

本发明专利技术提供一种碳纤维缠绕气瓶，包括气瓶本体，气瓶本体上均匀缠绕有n条带有若干栅点的光纤，若干栅点均布设在每条光纤上，缠绕光纤时保证气瓶本体上任意一栅点所在位置的径向截面上均布设有n个栅点、栅点沿气瓶本体的轴向排布成n条直线且相邻两个栅点之间的轴向间距相同。通过建立气瓶健康状态评价方程，并结合解调光纤传回的波长数据测量出气瓶的局部形变情况得到气瓶某一处的疲劳状态和整体的健康状态。的健康状态。的健康状态。

【技术实现步骤摘要】
一种碳纤维缠绕气瓶及其健康状态的监测方法


[0001]本专利技术属于碳纤维缠绕气瓶
，具体涉及一种碳纤维缠绕气瓶及其健康状态的监测方法。

技术介绍

[0002]碳纤维缠绕气瓶的体积变化是气瓶健康状态的一个非常重要的指标，气瓶的体积变化过大是气瓶疲劳的一个重要表现。对于碳纤维缠绕气瓶的体积变化的检测常用的方法是水压试验，水压试验是气瓶年检的内容之一，对于盛装氢气的气瓶来说，需要每三年进行一次检查。水压试验需要将气瓶安装在专门的水压试验设施上，年检间隔时间过长，而且操作不便，不能够做到实时的监测，也不能根据测得的气瓶体积变化判断气瓶的健康状态。
[0003]如公开号CN111209693A公开了一种气瓶受外物撞击后的爆破强度评估方法，先基于ABAQUS软件进行碳纤维复合材料本构的二次开发，建立有限元分析模型；再利用ABAQUS软件并基于所述有限元分析模型对气瓶进行有限元分析，评估出气瓶受外物撞击后所能承受的最大内压，即气瓶受外物撞击后的爆破强度值。
[0004]因此需要提供一种碳纤维缠绕气瓶及其健康状态的监测方法来解决上述问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种碳纤维缠绕气瓶及其健康状态的监测方法，通过建立气瓶健康状态评价方程，并结合解调光纤传回的波长数据测量出气瓶的局部形变情况得到气瓶某一处的疲劳状态和整体的健康状态。
[0006]本专利技术提供了如下的技术方案：
[0007]一种碳纤维缠绕气瓶，其特征在于，包括气瓶本体，所述气瓶本体上均匀缠绕有n条带有若干栅点的光纤，若干栅点均布设在每条光纤上，缠绕所述光纤时保证所述气瓶本体上任意一栅点所在位置的径向截面上均布设有n个栅点、栅点沿所述气瓶本体的轴向排布成n条直线且相邻两个栅点之间的轴向间距相同。
[0008]优选的，所述气瓶本体的瓶颈拐角处设有用于防止光纤折断的L形套筒。
[0009]优选的，n条所述光纤采用螺旋形缠绕布贴或者蛇形缠绕布贴。
[0010]一种碳纤维缠绕气瓶健康状态的监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0011]S1：在气瓶上缠绕带有栅点的光纤，并利用光纤解调仪测量栅点的中心波长初始值；
[0012]S2：每秒采集若干组数据，并根据栅点应变公式计算栅点的周向应变和轴向应变，并结合栅点自身应变上限对栅点的周向应变和轴向应变的均值进行归一化处理，其中：
[0013]周向应变均值归一化，记为：
[0014][0015]轴向应变均值归一化，记为：
[0016][0017]式中，x
ij
为栅点的周向应变，y
ij
为栅点的轴向应变，i＝1,2,3,
…
,n，j＝1,2,3,4，E为栅点的自身应变上限，x
ij
,y
ij
∈[0,E]，x1与y1的变化范围为[0,1]；
[0018]S3：根据周向应变和轴向应变建立气瓶整体体积变化系数K1的方程式：
[0019]K1＝ax1+by1(4)；
[0020]其中，K1∈[0,1]；
[0021]S4：根据气瓶周向和轴向形变比例建立周向和轴向的健康偏差系数K2的方程式：
[0022][0023]其中，K2∈[0,1]；
[0024]S5：利用周向局部变化系数建立整体的局部变化割裂程度系数K3的方程：
[0025]K3＝max
1≤i≤n
{k
im
}
‑
min
1≤i≤4
{k
im
}(6)，
[0026]式中，k
im
＝max
1≤j≤4
{x
ij
}
‑
min
1≤j≤4
{x
ij
}为周向局部变化系数，用于体现栅点所在圆周的局部形变，其中i＝1,2,3,...,n，K3∈[0,1]；
[0027]S6：利用轴向局部变化系数建立整体的局部变化割裂程度系数K4的方程：
[0028]K4＝max
1≤j≤n
{k
jm
}
‑
min
1≤j≤n
{k
jm
}(7)，
[0029]式中，k
jm
＝max
1≤i≤n
{y
ij
}
‑
min
1≤i≤n
{y
ij
}为轴向局部变化系数，用于体现栅点所在轴向的局部形变，其中j＝1,2,3,4，K4∈[0,1]；
[0030]S7：通过K1、K2、K3、K4综合建立气瓶的总体健康值K的方程：
[0031]K＝αK1+βK2+γK3+δK4(8)，
[0032]其中，α＝am，β＝bm，γ＝a(1
‑
m)，δ＝b(1
‑
m)，为气瓶直径与长度比，α，β，γ，δ四个系数的和为1。
[0033]S8：根据气瓶的总体健康值K评价气瓶的健康状态，K的值越大，气瓶的健康程度越差。
[0034]优选的，栅点应变公式为：
[0035][0036]式中：Δλ
B
为中心波长偏移量，P
e
为光纤的有效弹光系数。
[0037]优选的，所述S1中，用光纤解调仪测量栅点的中心波长初始值时，每个栅点至少采集10组反射光中心波长数据，取均值作为该点的中心波长初始值。
[0038]优选的，所述S2中，实时数据的采集频率至少为20Hz/s，每秒至少采集20组数据。
[0039]优选的，所述S7中，m∈(0,1)。
[0040]本专利技术的有益效果是：
[0041]1.光纤体积小，可以埋藏在气瓶本体和碳纤维缠绕层之间。而且光纤本身是不需要供电，这样可以保证光纤长期稳定的测量数据；只需连接解调仪设备即可实时获得数据，可以测量出气瓶的局部形变与气瓶整体的体积变化，实时性是另一个非常大的优点。
[0042]2.气瓶在因疲劳破损前会在薄弱处产生不同于其他位置的形变，因此需要部署多条光纤进行缠绕，光纤数量过少会导致光纤存活率降低，而光纤过多会提高成本，采用四条光纤螺旋缠绕气瓶，在保证成本的前提下，可以保证栅区所在横截面同时得到四个点位的应变数据，这样取得的数据具有可测量局部形变的优势；
[0043]3.光纤的接口从瓶口处甩出，在接口前的瓶颈拐角处是光纤易折断的点，本方法采用L型套筒套住内部光纤，将拐角处的光纤固定，在后续碳纤维缠绕过程中保护此处光纤，减小碳纤维剪切力的影响，提高缠绕后的光纤存活率；
[0044]4.本算法可以实现通过各光纤栅点取得的数据计算得到一种气瓶局部形变监测方法，通过此监测方法能够直观地判断气瓶的健康状态，而且将气瓶健康状态量化为健康值，可以更加方便地搭配报警系统，当形变出现异常时进行报警，若本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碳纤维缠绕气瓶，其特征在于，包括气瓶本体(1)，所述气瓶本体(1)上均匀缠绕有n条带有若干栅点(3)的光纤(2)，若干栅点(3)均布设在每条光纤(2)上，缠绕所述光纤(2)时保证所述气瓶本体(1)上任意一栅点(3)所在位置的径向截面上均布设有n个栅点(3)、栅点(3)沿所述气瓶本体(1)的轴向排布成n条直线且相邻两个栅点(3)之间的轴向间距相同。2.根据权利要求1所述的碳纤维缠绕气瓶，其特征在于，气瓶本体(1)的瓶颈拐角处设有用于防止光纤(2)折断的L形套筒(4)。3.根据权利要求1所述的碳纤维缠绕气瓶，其特征在于，n条所述光纤(2)采用螺旋形缠绕布贴或者蛇形缠绕布贴。4.一种适用于权利要求1所述的碳纤维缠绕气瓶的健康状态的监测方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：在气瓶上缠绕带有栅点的光纤，并利用光纤解调仪测量栅点的中心波长初始值；S2：每秒采集若干组数据，并根据栅点应变公式计算栅点的周向应变和轴向应变，并结合栅点自身应变上限对栅点的周向应变和轴向应变的均值进行归一化处理，其中：周向应变均值归一化，记为：轴向应变均值归一化，记为：式中，x
ij
为栅点的周向应变，y
ij
为栅点的轴向应变，i＝1,2,3,
…
,n，j＝1,2,3,4，E为栅点的自身应变上限，x
ij
,y
ij
∈[0,E]，x1与y1的变化范围为[0,1]；S3：根据周向应变和轴向应变建立气瓶整体体积变化系数K1的方程式：K1＝ax1+by1(4)；其中，K1∈[0,1]；S4：根据气瓶周向和轴向形变比例建立周向和轴向的健康偏差系数K2的方程式：其中，K2∈[0,1]；S5：利用周向局部变化系数建立整体的局部变化割裂程度系数K3的方程：K3＝max
1≤i≤n
{k
im
}
‑
min
1≤i≤4
{k
im
}(6)，式中，k
im
＝max
1≤j≤4
{x
...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐东，
申请(专利权)人：苏州辰航致远智能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：