[发明专利]一种柱形缠绕复合材料压力容器的含凹陷金属内胆的屈曲分析方法

说明书

本发明提供一种柱形缠绕复合材料压力容器的含凹陷金属内胆的屈曲分析方法。本发明方法建立的柱形缠绕复合材料压力容器的含凹陷金属内胆的屈曲分析方法，采用数值和解析相结合的方法，可对柱形复合材料压力容器的含凹陷金属内胆进行屈曲分析，准确预测初始凹陷大小对金属内胆发生局部屈曲的影响，可预测内胆出现凹陷的压力容器是否满足继续服役的标准。

技术领域

本发明涉及压力容器设计技术领域，尤其涉及一种柱形缠绕复合材料压力容器的含凹陷金属内胆的屈曲分析方法。

背景技术

全缠绕金属内胆复合材料压力容器采用薄壁内胆结构，并在其投入使用前，施加超过其工作压力的自紧压力。自紧工艺中，薄壁金属内胆会产生一定深度的凹陷。这种凹陷会引发受压状态下内胆的局部屈曲。

宋高峰等在《一种对含缺陷的常压储罐的整体评价方法》中建立了一种对含缺陷的常压储罐的整体评价方法，根据储罐结构和缺陷位置、尺寸、性质，在Ansys软件中建立缺陷的储罐模型，加载实际载荷计算储罐结构强度和储罐应力强度因子，加载单位载荷进行稳定性计算，全面评估储罐的安全状况。

郑津洋等在《确定铝内胆纤维全缠绕复合材料气瓶最佳自紧压力的方法》中建立了含变厚度变角度封头的铝内胆纤维全缠绕复合材料气瓶有限元模型，利用FORTRAN语言编写的ABAQUS用户静态材料子程序模块，实现铝内胆纤维全缠绕复合材料气瓶的渐进失效分析，结合标准确定最佳自紧压力。

郑津洋等在《一种预防钢制椭圆形封头内压屈曲失效的方法》中提供一种预防钢制椭圆形封头内压屈曲失效的方法，如计算所得封头的屈曲压力小于工艺条件下的封头所受内压，则对封头尺寸或材料进行调整后再次进行计算，直至计算所得屈曲压力大于工艺条件下的封头所受内压。

现有的研究均基于平面应变假设，将柱形内胆简化为圆柱环，对含凹陷圆柱环的环向屈曲展开分析，获得其临界屈曲外压，忽略了轴向的应力和变形对屈曲产生的影响。但是有研究表明在压力容器经过自紧工艺处理后，内胆同时受缠绕层的环向约束和轴向约束，内胆的轴向应力和变形对屈曲的影响很大，导致柱形压力容器在自紧工艺之后更易发生轴向屈曲，现有的研究方法已经不够适用。

发明内容

根据上述提出的技术问题，提供一种柱形缠绕复合材料压力容器的含凹陷金属内胆的屈曲分析方法。本发明采用的技术手段如下：

一种柱形缠绕复合材料压力容器的含凹陷金属内胆的屈曲分析方法，包括如下步骤：

步骤1、利用有限元方法计算自紧前后含金属内胆的压力容器整体的应力分布，获得自紧前后的金属内胆面内张力和界面压力的大小；

步骤2、对简化后的压力容器内胆简化成的的常微分方程求解，得到圆柱壳的径向位移，然后对该方程求导，获得剪力和弯矩，考虑外缠绕层的横向刚度对内胆变形的影响，建立凹陷轮廓控制方程；

步骤3、求解步骤2建立的凹陷轮廓控制方程，获得自紧工艺中加载阶段和卸载阶段金属内胆的界面压力和残余弯矩；

步骤4、将获得的凹陷附近界面压力和残余弯矩代入预设的金属内胆的局部屈曲判据依据，判断柱形复合材料压力容器内胆是否发生屈曲。

进一步地，所述步骤1具体包括如下步骤：建立含金属内胆的柱形复合材料压力容器的整体有限元模型，并将金属内胆与复合材料缠绕层之间设置接触单元，输入待计算压力容器的参数，计算内胆在自紧压力前后的应力分布，然后沿内胆厚度方向提取直筒段中部每一个节点的轴向应力，并在厚度方向上积分，求出薄壁金属内胆的面内压力。

进一步地，所述步骤2中，常微分方程具体为：