[发明专利]一种复合材料压力容器的设计方法

权利要求书

1.一种复合材料压力容器的设计方法，该复合材料压力容器由金属内衬和复合材料层构成，其中金属内衬为圆筒形，复合材料层为纵向与环向交替多层缠绕的全缠绕方式，其特征在于包括以下过程：

步骤1、对容器所用金属和复合材料分别做拉伸试验，得到拉伸试验曲线及弹性模量、剪切模量、泊松比，以及屈服强度、抗拉强度数据；

步骤2、根据上述数据运用有限元软件进行仿真设计，得到压力容器初步设计数据：壁厚、直径、长度、铺层、自紧压力；

步骤3、按压力容器初步设计数据制造压力容器样品；

步骤4、对压力容器样品进行自紧检测，其具体过程如下：

步骤4-1、沿压力容器样品的轴向和中部的环向均匀粘贴若干应变片；

步骤4-2、按压力容器初步设计数据中的自紧压力对压力容器样品进行内部加压并保压；

步骤4-3、保压状态下分别读取环向与轴向的应变片数据；

步骤4-4、查阅金属拉伸曲线可得内胆产生的环向塑性应变ε_hs与轴向塑性应变ε_zs；

步骤4-5、完全泄压，分别测得金属环向产生的残余应变ε_hc与轴向残余应变ε_zc；

步骤4-6、计算此时金属受外层复材压缩而产生的环向弹性应变ε_-h和轴向弹性应变ε_-z，ε_-h=ε_hs-ε_hc，ε_-z=ε_zs-ε_zc；

步骤4-7、将ε_-h、ε_-z分别代入广义胡克定律公式，计算得到金属所受环向压应力δ_-h和轴向压应力δ_-z，此时径向应力δ_j=0，且对于圆筒状压力容器有：δ_-h>δ_-z；

步骤5、对压力容器样品进行疲劳检测，其具体过程如下：

步骤5-1、对压力容器样品内部加压，升至标准疲劳试验压力值δ_p后保压；

步骤5-2、分别测得环向应变ε_hp和轴向应变ε_zp；

步骤5-3、金属由压缩状态变为拉伸状态，分别计算金属环向拉应变ε_hl与轴向拉应变ε_zl,ε_hl=ε_hp-ε_hs，ε_zl=ε_zp-ε_zs;

步骤5-4、将环向拉应变ε_hl与轴向拉应变ε_zl分别代入广义胡克定律公式，计算得到金属环向拉应力δ_hl和轴向拉应力δ_zl，此时径向应力δ_j=-δ_p，且对于圆筒状压力容器有：δ_hl>δ_zl;

步骤6、将环向拉应力δ_hl与永久疲劳应力δ_y相比较，环向压应力δ_-h与标准规定的压应力范围值{δ_i}相比较，对照下列规则对压力容器的初步设计数据作出合理调整；其具体操作如下：

步骤6-1、当δ_hl≤δ_y时

如果δ_-h<{δ_i}，则内胆过厚、铺层合理,减薄壁厚;

如果δ_-h∈{δ_i}，则内胆与铺层设计合理，确定前期设计；

如果δ_-h>{δ_i}，则内胆过薄、铺层合理，增加壁厚；

步骤6-2、当δ_hl>δ_y时

如果δ_-h<{δ_i}，则自紧压力过小,提高自紧压力;

如果δ_-h∈{δ_i}，且接近上限值，则内胆合理、铺层过薄，增加铺层厚度；

如果δ_-h∈{δ_i}，且远离上限值，则自紧压力偏小，增加自紧压力；

如果δ_-h>{δ_i}，则内胆过薄、铺层过薄，增加两者厚度；

步骤7、步骤2至步骤6重复1-2次，使设计数据稳定下来。