[发明专利]一种耐高温高压碳纤维聚酰亚胺复合材料气瓶设计方法

权利要求书

1.一种耐高温高压碳纤维聚酰亚胺复合材料气瓶设计方法，包括以下步骤：

第一步，聚酰亚胺作为碳纤维浸渍树脂，并测试其以下性能，玻璃化转变温度、密度、450-550℃温域内的比热容、热导率、单向板RT~500℃时横向平均线胀系数、单向板RT~500℃时纵向平均线胀系数、5%热失重温度、500℃空气中1800s热失重，作出记录用于有限元分析；

第二步，设定金属内衬尺寸，计算碳纤维聚酰亚胺复合材料层和聚酰亚胺高温应变补偿层；气瓶包括薄壁筒身段和前后封头段，筒身段长径比大于2，封头采用内、外型面双椭圆设计，外椭圆截面曲线C1和内椭圆截面曲线C2，

曲线C1的公式为：

…………………………公式1

其中：

a_i 为曲线C1上任意一点横坐标值；

b_i为曲线C1上任意一点纵坐标值；

X₁为外椭圆短轴长度值；

Y₁为外椭圆长轴长度值；

曲线2的椭圆方程式为公式：

………………………………公式2

其中：

c_i为曲线C2上任意一点横坐标值；

d_i为曲线C2上任意一点纵坐标值；

X₂为内椭圆短轴长度值；

Y₂为内椭圆长轴长度值；

其中X₁/ Y₁取值范围为0.73-0.76，0.75， X₂/Y₂取值范围,0.61-0.63，0.625，

第三步：利用有限元仿真计算方法，

金属内衬与高温应变补偿层连接，高温应变补偿层与碳纤维聚酰亚胺复合材料层连接，采用表面—表面接触方式，设定小滑移模式，并设定金属内衬、高温应变补偿层、碳纤维聚酰亚胺复合材料层的参数；封头处的高温应变补偿层厚度取值范围是瓶身高温应变补偿层厚度的2-3倍；

第四步：当上一步的模型应变结果不满足尺寸匹配水平或应力结果超过材料许用应力水平时，重新匹配聚酰亚胺高温应变补充层壁厚的方法，并优化金属内衬直线段与椭圆的圆弧过渡段半径及壁厚；

第五步：进行试验件爆破，并和设计方案试验件爆破结果进行对比。

2.如权利要求1所述的一种耐高温高压碳纤维聚酰亚胺复合材料气瓶设计方法，其特征在于：第二步中，封头的椭圆与直筒通过圆弧过渡，圆弧过渡半径为取40mm-50mm。

3.如权利要求1所述的一种耐高温高压碳纤维聚酰亚胺复合材料气瓶设计方法，其特征在于：第二步中，X₁/ Y₁取值0.75， X₂/Y₂取值0.625。

4.如权利要求1所述的一种耐高温高压碳纤维聚酰亚胺复合材料气瓶设计方法，其特征在于：第三步中，设定金属内衬、高温应变补偿层、碳纤维聚酰亚胺复合材料层导热系数相关热物理属性，用于模拟温度及应力传递；设定表面热交换条件并设定导热系数物理属性，用于模拟温度及应力传递，然后对内胆内表面施加固定约束，通过对边界条件中的温度设定模拟气瓶外部400℃温度环境。