[发明专利]一种高压复合材料气瓶的缠绕张力设计方法

说明书

一种高压复合材料气瓶的缠绕张力设计方法，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。该发明的优点在于：提高纤维强度发挥率，降低纤维使用量，提高高压复合材料储气瓶的储氢密度。

技术领域

本发明涉及高压复合材料储气瓶领域，尤其涉及一种高压复合材料气瓶的缠绕张力设计方法。

背景技术

复合材料气瓶由于具有高比强度、比模量、性能可设计等优点，在高压储氢领域有着越来越广泛的应用。为了提高储氢量，复合材料储气瓶朝着高压方向发展。为了提高气瓶的工作压力，复合材料气瓶碳纤维的缠绕层数越来越多。随着缠绕层数的增加，厚壁效应越来越明显，从里层到外层纤维应力逐渐下降。当内层纤维满足破坏条件时，外层纤维远没达到破坏条件，强度没有完全发挥出来，导致当纤维缠绕层数达到一定数目后，增加缠绕层数，气瓶的承载能力没有显著增加，成为制约高压复合材料储气瓶发展和应用的技术瓶颈。

为了解决这一技术难题，国外公司曾提出修改气瓶内胆设计并将环向缠绕层布置在内侧的方法，提高纤维强度利用率，降低纤维缠绕层数，减少气瓶重量。但是该方法在内胆封头与筒体交接处引入了几何突变点，增加了应力集中系数，同时每层纤维起始铺层位置都要作出改变，增加了缠绕难度。缠绕张力对复合材料气瓶力学性能有重要影响，常用的等张力设计方法不会改变应力沿着厚度方向的分布特性，图2(a)-图2(c)所示，图中可以看出，外层纤维强度发挥率低。

发明内容

为了达到在内压作用和缠绕张力共同作用下纤维应力沿着厚度方向均匀分布、提高纤维强度利用率、降低高压储气瓶重量的目的，本发明提供一种高压复合材料气瓶的缠绕张力设计方法。本发明采用以下技术方案：

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。

本发明的优点在于：

(1)本发明通过缠绕张力的设计，使得在内压作用下高压复合材料储气瓶复合材料各层应力基本均匀分布，内层和外层复合材料的应力一致，克服了由于厚壁效应产生的外层复合材料应力小，内层复合材料应力大的应力分布特点，以及由此导致的外层纤维强度得不到很好发挥的缺点，提高纤维强度发挥率，降低纤维使用量，提高高压复合材料储气瓶的储氢密度。

(2)本发明通过降温冷缩的方法，模拟复合材料缠绕张力，在模型中通过设置不同层复合材料的不同热膨胀率，整个模型所施加温度一致，避免了由于温度差导致各层之间的热传导及由此导致的模型准确性降低问题。

附图说明

图1为本发明的流程示意图；

图2(a)为内压作用下纤维方向应力沿厚度方向分布示意图，图2(b)为等张力设计纤维方向应力沿厚度方向分布示意图，图2(c)为在内压和等张力共同作用下纤维方向应力沿厚度方向分布示示意图；

图3(a)为内压作用下纤维方向应力沿厚度方向分布示意图，图3(b)为本发明张力作用下纤维方向应力沿厚度方向分布示意图，图3(c)为在内压和本发明张力共同作用下纤维方向应力沿厚度方向分布示示意图；