[发明专利]一种气瓶受外物撞击后的爆破强度评估方法

权利要求书

1.一种气瓶受外物撞击后的爆破强度评估方法，该气瓶为钢内胆碳纤维复合材料缠绕气瓶，其特征在于，包括以下步骤：

S1，建立碳纤维复合材料连续损伤本构模型；

S2，基于ABAQUS/VUMAT用户自定义本构子程序模块，编写步骤S1中的碳纤维复合材料连续损伤本构模型的本构子程序；

所述本构子程序：从ABAQUS/Explicit主程序中调取并根据碳纤维复合材料在上一计算步的应力张量和应变张量，计算碳纤维复合材料在当前计算步的应力张量和应变张量；

所述应力张量用{σ}表示，且{σ}＝{σ₁₁,σ₂₂,σ₃₃,σ₁₂}^T，σ₁₁、σ₂₂、σ₃₃、σ₁₂均为应力分量，分别表示不同方向的应力分量；

所述应变张量用{ε}表示，且{ε}＝{ε₁₁,ε₂₂,ε₃₃,ε₁₂}^T，ε₁₁、ε₂₂、ε₃₃、ε₁₂均为应变分量，分别表示不同方向的应变分量；

方向1为碳纤维复合材料的纤维轴向，方向2表示碳纤维复合材料面内垂直于纤维轴向的方向，方向3表示碳纤维复合材料的厚度方向；

应力分量σ_ij中，下标i表示应力分量在法线方向与方向i平行的平面内，下标j表示应力分量方向与方向j平行；应力分量σ_ii表示应力分量方向与方向i平行；

应变分量ε_ij中，下标i表示应变分量在法线方向与方向i平行的平面内，下标j表示应变分量方向与方向j平行；应变分量ε_ii表示应变分量方向与方向i平行；

S3，建立有限元分析模型，至少包括对碳纤维复合材料层的分析；

所述碳纤维复合材料层的分析方式为：对碳纤维复合材料层进行网格单元划分，利用步骤S2的本构子程序对碳纤维复合材料层进行计算，在各计算步下，均分别计算碳纤维复合材料层的各个网格单元的应力张量和应变张量；

S4，气瓶在特定的内压P₀下，利用所述有限元分析模型进行有限元分析，在各计算步下，均分别计算碳纤维复合材料层的各个网格单元的应力张量和应变张量；

S5，气瓶在特定的内压P₀下受外物撞击，利用所述有限元分析模型进行有限元分析，在各计算步下，均分别计算碳纤维复合材料层的各个网格单元的应力张量和应变张量；

在每个计算步中，均分别从碳纤维复合材料层的各个网格单元中找出碳纤维复合材料层的纤维轴向应变分量ε₁₁的最大值即maxε₁₁；

分别比较每个计算步中的碳纤维复合材料层的纤维轴向应变分量最大值maxε₁₁是否大于碳纤维复合材料的纤维轴向断裂应变ε_cf，若存在某个计算步中的碳纤维复合材料层的纤维轴向应变分量最大值maxε₁₁≥ε_cf，则表示气瓶发生破坏，并终止计算；否则表示气瓶未发生破坏，继续计算，即进行下一步骤；

S6，对气瓶进行增压，即增加气瓶的内压；

S7，气瓶增压后，利用所述有限元分析模型进行有限元分析，在各计算步下，均分别计算碳纤维复合材料层的各个网格单元的应力张量和应变张量；

在每个计算步中，均分别从碳纤维复合材料层的各个网格单元中找出碳纤维复合材料层的纤维轴向应变分量ε₁₁的最大值即maxε₁₁；

分别比较每个计算步中的碳纤维复合材料层的纤维轴向应变分量的最大值maxε₁₁是否大于碳纤维复合材料的纤维轴向断裂应变ε_cf，若存在某个计算步中的碳纤维复合材料层的纤维轴向应变分量的最大值maxε₁₁≥ε_cf，则表示气瓶发生破坏，并终止计算；否则，表示气瓶未发生破坏，继续对气瓶进行增压，并继续进行气瓶增压后的有限元分析，即重新执行步骤S6～S7；

步骤S4～S7是利用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的过程，计算出气瓶受外物撞击后所能承受的最大内压，从而评估气瓶受外物撞击后的爆破强度值，且气瓶受外物撞击后的爆破强度值即为气瓶受外物撞击后所能承受的最大内压；

各计算步之间的时间间隔为有限元分析过程中设置的参数；

步骤S1中，碳纤维复合材料连续损伤本构模型中包括：纤维拉伸损伤参数f₁、基体拉伸损伤参数f₂、纤维压缩损伤参数f₃、基体压缩损伤参数f₄、面内剪切损伤参数f₅的函数，分别如下所示：

上述式中，f₁为纤维拉伸损伤参数、f₂为基体拉伸损伤参数、f₃为纤维压缩损伤参数、f₄为基体压缩损伤参数、f₅为面内剪切损伤参数；

X_t为碳纤维复合材料的纤维轴向拉伸强度，Y_t为碳纤维复合材料的纤维横向拉伸强度；X_c为碳纤维复合材料的纤维轴向压缩强度，Y_c为碳纤维复合材料的纤维横向压缩强度；S₁₂为碳纤维复合材料的剪切强度；

当存在任意的损伤参数的值大于等于1时，则表示损伤发生并进入损伤演化阶段，损伤演化阶段中，

损伤变量W为：

式中，φ_i,i＝1,2,3,4,5均为损伤累积变量；

式中，α_i,i＝1,2,3,4,5均为中间变量；

式中，m_i,i＝1,2,3,4,5均为表征损伤软化特征的材料常数；

损伤演化影响的柔度矩阵[S_ij]为：

式中，E₁₁、E₂₂为碳纤维复合材料的弹性模量；G₁₂为碳纤维复合材料的剪切模量；v₁₂、v₂₁分别为不同方向的碳纤维复合材料泊松比；

碳纤维复合材料的刚度矩阵[C_ij]为：

[C_ij]＝[S_ij]^-1；     式10

碳纤维复合材料的应力张量{σ}与应变张量{ε}之间的关系为：

{σ}＝[C_ij]{ε}；    式11

式中，应力张量{σ}＝{σ₁₁,σ₂₂,σ₃₃,σ₁₂}^T；应变张量{ε}＝{ε₁₁,ε₂₂,ε₃₃,ε₁₂}^T；

步骤S2中，所述本构子程序的处理流程如下所示：

S201，本构子程序从ABAQUS/Explicit主程序中调取碳纤维复合材料在上一计算步即第n-1个计算步的应力张量{σ^n-1}和应变张量{ε^n-1}，上标n-1表示第n-1个计算步；

本构子程序还从ABAQUS/Explicit主程序中调取碳纤维复合材料在当前计算步即在第n个计算步的应变张量增量{Δεⁿ}，Δε₁₁、Δε₂₂、Δε₃₃、Δε₁₂分别为相应的各个应变分量增量，上标n表示第n个计算步；

S202，本构子程序根据碳纤维复合材料在第n-1个计算步的应变张量{ε^n-1}，以及在第n个计算步的应变张量增量{Δεⁿ}，计算碳纤维复合材料在当前计算步即在第n个计算步的应变张量{εⁿ}，

S203，本构子程序根据碳纤维复合材料在第n-1个计算步的应力张量{σ^n-1}，以及根据步骤S1中的式1～5，分别计算碳纤维复合材料在第n个计算步的纤维拉伸损伤参数f₁ⁿ、基体拉伸损伤参数f₂ⁿ、纤维压缩损伤参数f₃ⁿ、基体压缩损伤参数f₄ⁿ、面内剪切损伤参数f₅ⁿ；

本构子程序根据碳纤维复合材料在第n个计算步的纤维拉伸损伤参数f₁ⁿ、基体拉伸损伤参数f₂ⁿ、纤维压缩损伤参数f₃ⁿ、基体压缩损伤参数f₄ⁿ、面内剪切损伤参数f₅ⁿ，以及根据步骤S1中的式6～10，依次计算碳纤维复合材料在第n个计算步的损伤变量Wⁿ、刚度矩阵

S204，本构子程序根据碳纤维复合材料在第n个计算步的刚度矩阵应变张量{εⁿ}，以及根据步骤S1中的式11，计算碳纤维复合材料在第n个计算步的应力张量

S205，本构子程序将碳纤维复合材料在当前计算步即在第n个计算步的应力张量{σⁿ}，应变张量{εⁿ}输出给ABAQUS/Explicit主程序，主程序基于碳纤维复合材料在第n个计算步的应力张量{σⁿ}和应变张量{εⁿ}，进一步计算得到碳纤维复合材料在下一计算步即第n+1个计算步的应变张量增量{Δεⁿ⁺¹}，上标n+1表示第n+1个计算步；

步骤S3中，建立含撞击物、钢内胆碳纤维复合材料缠绕气瓶的有限元分析模型，具体方式如下所示：

S301，在ABAQUS/CAE中分别建立撞击物、钢内胆、碳纤维复合材料层的几何模型；

S302，设置材料属性：撞击物赋予刚体材料属性；钢内胆赋予含应变硬化和应变率效应的材料属性；碳纤维复合材料层由步骤S2编写的本构子程序并通过ABAQUS-VUMAT模块接口赋予其材料属性；

S303，划分网格单元：撞击物和钢内胆采用C3D8R缩减积分实体单元划分网格；碳纤维复合材料采用S4R缩减积分壳单元划分网格，且在S4R缩减积分壳单元中设置碳纤维缠绕的角度、层数、各层厚度；

S304，施加撞击物的初始状态参数和气瓶的边界条件，设定外物撞击气瓶的初始撞击速度、撞击角度、撞击位置，确定气瓶约束部位并施加边界条件；

S305，定义接触，在撞击物、钢内胆、碳纤维复合材料之间设置通用接触算法；

S306，设置计算分析步，包括：

分析步1：气瓶在特定内压P₀下的有限元分析；

分析步2：气瓶在特定内压P₀下受外物撞击的有限元分析；

分析步3：气瓶在特定内压P₀下受外物撞击后进行增压的有限元分析。