[发明专利]一种基于纤维缠绕工艺的高压储氢容器的设计方法

说明书

本发明公开了一种基于纤维缠绕工艺的高压储氢容器的设计方法，具体包括如下步骤：步骤1：确定高压储氢容器的基本参数；步骤2：获取纤维复合层及内衬层的材料性能参数；步骤3：计算纤维复合层的缠绕厚度值和内衬层的内衬厚度值：（1）根据步骤1和步骤2确定设计准则和设计参数；（2）根据高压储氢容器在极限压力下的平衡公式和Ⅲ型高压储氢容器的承压特点列平衡方程式；（3）根据平衡方程式求解：、、；（4）求解；步骤4：利用步骤2，验证步骤3中计算结果：、、、的准确性。设计中对计算结果进行校核和修正，可以提升各计算结果的准确度，为高压储氢容器的设计制造、结构优化提供了理论依据，降低制造成本。

技术领域

本发明涉及高压储氢技术领域，尤其涉及一种基于纤维缠绕工艺的高压储氢容器的设计方法。

背景技术

高压储氢技术具有充装方便、成本低等优点，是目前最常见、最成熟的储氢技术。在高压储氢技术中，纤维增强复合材料以其优异性能常被用来作为高压储氢容器的主要承载层，采用纤维增强复合材料制成的纤维缠绕式高压储氢容器因具有较高的比强度、轻质、耐腐蚀性、耐疲劳等特点，被广泛应用于火箭、卫星、新能源汽车、医疗设备等产品上。

目前，在采用纤维增强复合材料制成的纤维缠绕式高压储氢容器的传统设计中，缺乏对计算结果：纤维复合层的螺旋缠绕纤维厚度、纤维复合层的环向缠绕纤维厚度、内衬层的内衬厚度、纤维复合层的纤维预应力的校核和修正，而传统设计中使用网格理论来计算上述结果时，计算结果往往与工程实际应用相差很大，造成制造成本增加等缺陷。

发明内容

本发明所需解决的技术问题是：提供一种能对计算结果进行校核和修正的基于纤维缠绕工艺的高压储氢容器的设计方法。

为解决上述问题，本发明采用的技术方案是：所述的一种基于纤维缠绕工艺的高压储氢容器的设计方法，具体包括如下步骤：

步骤1：确定高压储氢容器的基本参数：高压储氢容器承受的工作压力、高压储氢容器承受的极限压力、高压储氢容器的容积、高压储氢容器的筒身长、高压储氢容器的内半径、纤维复合层螺旋缠绕的缠绕角；

步骤2：获取纤维复合层及内衬层的材料性能参数：纤维复合材料的抗拉强度、纤维复合材料的抗拉模量、内衬材料的弯曲屈服强度、内衬材料的弹性模量、内衬材料的泊松比；

步骤3：计算纤维复合层的缠绕厚度值和内衬层的内衬厚度值；

（1）根据步骤1中高压储氢容器的基本参数和步骤2中纤维复合层及内衬层的材料性能参数确定设计准则和设计参数；其中，为Ⅲ型高压储氢容器的纤维强度利用系数；

（2）根据高压储氢容器在极限压力下的平衡公式和Ⅲ型高压储氢容器的承压特点，列如下平衡方程式：

a、轴向和环向内力平衡方程式为：

；

；

b、极限压力下平衡受力平衡方程式为：

；

；

c、预应力下在极限压力的受力平衡方程式为：

;

;

以上各方程式中参数的含义如下所示：

d-高压储氢容器的内直径；

R-高压储氢容器的内半径；

P-高压储氢容器承受的任意压力（P）；

-高压储氢容器承受的极限压力；

-薄膜的轴向内力；

-薄膜的环向内力；