[发明专利]混杂纤维复合材料防爆罐构型设计方法

权利要求书

1.一种混杂纤维复合材料防爆罐构型设计方法，其特征在于包括如下步骤：

S1、建立符合预设条件的初始防爆罐构型，具体为：

初始防爆罐构型为圆筒形容器，包括设定母线长度、直径、两端开孔直径、复合材料中纤维体积含量、固化度、直筒段每层纤维厚度、限制直筒段质量、弹性模量和设定复合材料纤维混杂比；其中，直筒段铺层顺序为：[(17.5/90/90/-17.5/90/90)36(17.5/90/-17.5/90)28]；封头段铺层顺序为：[(17.826/-17.826)₆₄]；

通过TNT爆炸时的入射超压、反射超压与动力系数，采用等效静载荷法，分析得出爆炸时对防爆罐的冲击载荷；

利用网格理论，结合防爆罐直筒段和封头段，计算出纤维所受应力，得到直筒缠绕纤维厚度和封头缠绕纤维厚度，从而确定防爆罐性能；

其中，入射超压采用J.Henrych公式进行计算，方法如下：

其中，ΔP_f为入射超压，W为炸药TNT当量，R为容器壳体半径；

反射超压的计算公式与入射角度有关，方法如下：

当时，发生正反射，

当时，发生斜反射，

当时，发生马赫反射，

在空气中，

其中，为入射角度，ΔP₂为反射超压，P₀为大气压强，为空气中斜反射和马赫反射入射角界限：

运用动力系数法，将反射超压动载荷转化为等效静载荷，计算动力系数C_d，

式中：τ₁为反射超压作用的时间；η为经验系数，柱对称时取0.5，球对称时取1；R为容器壳体半径，m；Q₀为单位质量爆热，J/Kg；对TNT来说，Q₀＝4860874.8J/kg；

对于薄壳，若仅考虑扩展运动，则其自振周期为：

式中：T为容器自振周期；E为杨氏模量；ρ为壳体材料密度，Kg/cm³；

当时，有

当时，有

则等效静载荷：

P_ε＝ΔP₂·C_d；

防爆罐直筒段的网格理论，计算方法如下：

螺旋向加环向纤维缠绕圆筒在网格分析下的轴向内力和环向内力分别为

式中：[σ_α]和[σ_θ]分别为螺旋向和环向纤维许用应力，安全系数取2，[σ_α]＝0.5σ₀，[σ_θ]＝0.5σ₀；h_α和h_θ分别为螺旋向和环向纤维厚度；α为螺旋向缠绕角；

在内压作用下，直筒段轴向内力和环向内力分别为：

式中：p为内压强；R为容器壳体半径；

纤维缠绕圆筒在网格分析下处于平衡时，有T_α＝N_α、T_θ＝N_θ，由此得螺旋向加环向纤维缠绕圆筒在网格分析下的平衡方程：

若[σ_fb]为缠绕纤维的许用应力，P_ε为防爆罐所承受的等效静载荷，则圆筒的螺旋向和环向纤维厚度分别为

式中：α为螺旋向缠绕角；h_fα为螺旋缠绕纤维厚度，h_fθ为环向缠绕纤维厚度；

复合材料缠绕层的壁厚为：

直筒缠绕纤维厚度为：

h＝(h_fα+h_fθ)；

式中：V_f为在复合材料缠绕层中纤维所占体积；V_m为在复合材料缠绕层中基体所占体积；h_fα为螺旋向纤维缠绕厚度；h_fθ为环向纤维缠绕厚度；

防爆罐封头段的网格理论，计算方法如下：

根据防爆罐3个基本特征，得出封头段的3个基本方程：

其中，α为纤维缠绕角，α₀为封头赤道处纤维缠绕角，r＝r(z)为经线方程，σ_f为封头上任一平行圆纤维应力，t_f为封头上任一平行圆纤维厚度，t_fα为封头赤道处纤维厚度，p为封头静压力；

使变量无量纲化，引入：

设定封头上纤维应力状态处处相同，构成均衡型等应力封头，补充方程为：

施加无量纲下的边界条件：

r|_z＝0＝R；

经整理得封头缠绕角方程，即回转曲面的测地线方程，

sinα＝ρ₀/ρ；

或者

sinα＝r₀/r；

从工艺角度分析，按测地线缠绕，封头上两点距离最短，纤维最稳定，因此在赤道(r＝R)上，

sinα₀＝r₀/R；

由以上筒身缠绕角公式，得出封头上的纤维应力，

从而得出封头经线方程，

式中：

分别为勒让德第一类椭圆积分和第二类椭圆积分，且

应用上述经线方程确定等应力封头曲面形状，当ρ₀＝0时，为封头无极孔的特殊情形的ξ值，此时α＝0，即经线缠绕，对于等应力封头缠绕纤维厚度有

封头曲率半径为

S2、防爆罐几何构型参数化；

S3、运用多岛遗传算法对防爆罐构型进行优化，以求得防爆罐构型局部最优解区域；

S4、梯度算法寻求防爆罐构型全局最优解；

S5、以能量吸收率评判最优防爆罐构型。