[发明专利]一种复合材料压力容器的设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及压力容器的设计方法，特别是涉及一种复合材料压力容器的设计方法。

背景技术

复合材料压力容器具有轻质高强、容重比高的特点。同时，相比金属容器，具有未爆先漏的安全性优势。在现代清洁能源运用、航空航天等领域具有广阔的应用前景。在容器的设计阶段，疲劳寿命能否达到相关标准要求是检验设计方案的重要指标之一。企业一般遵照标准要求对容器进行有限元建模和仿真分析，并结合以往积累的经验进行设计，最后加工出若干试样进行实验验证和设计调整。实践证明，在气瓶的前期设计阶段，经验数据和有限元仿真起着不可或缺的重要作用，但其自身也存在着难以避免的精度误差，因不能得到精确的应力应变等数据，后期往往需要多次的反复试验进行修正，才能最终稳定下来。因此在这一过程中投入的时间和成本也是可观的。

发明内容

为了缩短气瓶的设计定型周期，降低开发成本，运用一种简单实用、精确可靠的设计方法使容器达到疲劳寿命等要求，进而代替传统的依靠多次试验的方法，是本发明的目的所在。

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、铺层厚度、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：