[发明专利]一种高压复合材料气瓶的缠绕张力设计方法

权利要求书

1.一种高压复合材料气瓶的缠绕张力设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、建立高压复合材料储气瓶的有限元数值模型，分析在内压作用下纤维方向应力沿着厚度方向的分布规律；

S2、设计各层复合材料初始缠绕张力，根据每层复合材料与第一层的应力差，基于线性叠加原理，设置每层由于缠绕张力所产生的残余应力，弥补每层应力与第一层的应力差；

S3、建立考虑缠绕张力的复合材料储气瓶有限元分析模型，分析在内压作用下各层应力的分布特性，如果各层应力与第一层的应力差在设定范围内，确定各层的缠绕应力，否则进入步骤S2。

2.根据权利要求1所述的一种高压复合材料气瓶的缠绕张力设计方法，其特征在于，步骤S1具体如下：

S11、根据内胆的几何形貌以及厚度信息，建立内胆的几何模型；

S12、根据复合材料层的铺层厚度和层数，结合每一层的铺层角度θ和厚度t_f在封头上随着半径r的变化规律，建立复合材料层几何模型，并与内胆层相结合；

S13、分别对内胆和复合材料进行网格划分，每层复合材料采用三维实体单元；

S14、分别对内胆和复合材料进行属性设置，所述属性设置包括复合材料层封头处不同位置纤维方向和局部坐标的设置；

S15、施加边界条件和载荷并求解，求解完成之后，提取复合材料层每层的应力，获得纤维承受应力沿着厚度方向的分布规律。

3.根据权利要求2所述的一种高压复合材料气瓶的缠绕张力设计方法，其特征在于，步骤S11中在周向上截取5°。

4.根据权利要求2所述的一种高压复合材料气瓶的缠绕张力设计方法，其特征在于，步骤S12的变化规律如下式所示：

θ＝arcsin(r_o/r)

式中r_o为极孔半径，R为筒身半径，t_fθ为复合材料在筒身处的单层厚度。

5.根据权利要求1所述的一种高压复合材料气瓶的缠绕张力设计方法，其特征在于，步骤S15中施加边界条件和载荷包括以下步骤：在截面上施加对称边界条件，固定气瓶一个端面的轴向位移，施加内压70MPa。

6.根据权利要求1所述的一种高压复合材料气瓶的缠绕张力设计方法，其特征在于，步骤S2具体如下：

S21、根据步骤S1所得的每层复合材料应力，计算每层应力与第一层的应力差；

S22、基于线性叠加原理，设置每层由于缠绕张力所产生的残余应力，弥补步骤S21计算所得的各层应力差；

S23、从最外层开始，根据每一层所承受的缠绕张力残余应力，同时考虑该层以外各层应力对该层的松弛作用，再结合每层复合材料的带宽和厚度，获得初始缠绕张力的大小，直至获得各层缠绕张力；

式中F_k和F_i为第k层和第i层复合材料的初始缠绕张力，σ_k为第k层复合材料缠绕张力的残余应力，n为复合材料总层数，i为求和序数，t为每层复合材料厚度，B为缠绕时纤维带宽，θ_k和θ_i为纤维缠绕角度，E_A为内胆材料的弹性模量，E_G为复合材料纤维方向弹性模量，t_A为内胆筒体壁厚。