[发明专利]一种适用于金属内衬复合材料气瓶的最优自紧压力确定方法

权利要求书

1.一种适用于金属内衬复合材料气瓶的最优自紧压力确定方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，确定待分析气瓶的尺寸、铺层和材料属性，建立复合材料气瓶有限元模型，纤维缠绕层在直筒段采用等厚度建模，在封头段采用变厚度建模；其中，纤维缠绕层封头段处变厚度t_f的计算公式如下：

式中：r为封头该点到中轴线的距离，r₀为制造过程确定的极轴半径，R为直筒段的外径，t_fα为赤道圆处等于筒身螺旋组的厚度；

第二步，选取气瓶自紧条件

气瓶自紧压力的选择范围为1.3～1.5倍的工作压力；在该范围内，可任意设定气瓶常温自紧压力a_i，和低温自紧压力b_j；在1.3倍-1.5倍工作压力之间等差选择n、m个自紧压力值，分别作为a_i(i＝1,2,…n)与b_j(i＝1,2,…m),将选取的所有常温自紧压力a_i与低温自紧压力b_j进行排列组合,产生n×m组计算组合，用于下一步自紧模拟；

第三步，使用ANSYS有限元软件实现对气瓶自紧的模拟；首先施加常温自紧力a_i，内衬进入屈服阶段，然后逐渐卸载，卸载之后气瓶会有残余应力，在存有残余应力的气瓶上继续施加一个低温自紧压力b_j，然后逐渐卸载，完成复合材料低温气瓶自紧处理过程；

第四步，通过ANSYS有限元软件，计算如第二步所述的不同自紧条件下的极限强度和疲劳寿命；

(1)极限强度求解：

极限强度求解采用复合材料结构渐进失效分析，渐进失效分析包括应力分析和失效分析；

计算使用ANSYS线性静力求解器，其他求解控制选项均按照ANSYS默认选项设置；施加初始载荷P₀进行失效分析，将内衬的封头段和直筒段作为判断范围；提取有限元计算结果中Mises等效应变，以材料的极限应变为判据，当内衬的Mises等效应变超过极限应变时，认为气瓶失效，获得极限强度；

如果气瓶没有失效，进行应力分析；应用失效准则对单元进行检查，检查结构中是否有单元产生破坏；采用Tsai-Wu准则判断气瓶复合材料基体开裂，采用最大应力准则判断纤维断裂；

当结构出现初始损伤后，需要对失效单元进行刚度折减；对于已判断失效的单元，采用Camanho刚度退化准则进行刚度折减；单一的组分材料失效时折减的宏观材料刚度表示为：

式中，w_s(w_s＝E₁,E₂,G₁₂,G₂₃,μ₁₂)为完好材料的刚度性能；分别为w_s中第j项刚度性能的折减系数，其右上角标α(α＝f，m)表示发生失效的组分材料种类，f-纤维，m-基体；

如果有单元发生破坏，对失效单元采取刚度折减后，在相同载荷下重新进行应力分析；如果没有单元发生破坏，增加1个载荷增量△P，重复上述过程直至气瓶整体失效；

(2)气瓶铝合金内衬的疲劳寿命计算采用Manson-Coffin公式：

式中：ε_a为总应变幅；σ′_f称为疲劳强度系数；ε′_f称为疲劳延性系数；σ_m为平均应力；E为弹性模量；b为疲劳强度指数；c为疲劳延性指数，N为所计算的疲劳寿命；其中，ε_a，σ′_f，ε′_f，σ_m，为第四步有限元计算结果提取获得，E为已知的弹性模量，b与c是工程常数，b表示疲劳强度指数，c表示疲劳延性指数；

第五步，确定最优自紧压力；

经自紧处理后的气瓶应满足：

(1)在零压力下，内衬的最大压应力在其材料屈服极限的60％～95％之间；

(2)在工作压力下，内衬的最大拉应力应小于其材料屈服极限的60％；

筛选满足上述设计准则的自紧条件，对比分析不同自紧条件下气瓶的极限强度和疲劳寿命，选择疲劳寿命和极限强度均表现优异的结果为综合最优自紧压力。