[发明专利]塑料内胆碳纤维全缠绕高压氢气瓶的爆破强度预算方法

权利要求书

1.一种塑料内胆碳纤维全缠绕高压氢气瓶的爆破强度预算方法，塑料内胆碳纤维全缠绕高压氢气瓶由塑料内胆、碳纤维螺旋缠绕层和碳纤维周向缠绕层组成，其中塑料内胆内径为D₀、外径为D₁，螺旋缠绕层的外径为D₂，周向缠绕层的外径为D₃；塑料内胆包含前后封头段和中间的筒身段，螺旋缠绕层为封头段、筒身段全缠绕，周向缠绕层只缠绕在筒身段，其特征在于，气瓶爆破强度包括塑料内胆碳纤维全缠绕高压氢气瓶筒身段的计算和封头段的计算；

(1)塑料内胆碳纤维全缠绕高压氢气瓶筒身段的计算：

①碳纤维螺旋缠绕层受力分析

塑料内胆碳纤维全缠绕高压氢气瓶筒身段螺旋缠绕层的螺旋缠绕方向与气瓶母线方向的夹角为θ；

螺旋缠绕层的经向力计算：

其中X_T为碳纤维缠绕带在纤维方向的抗拉强度；

螺旋缠绕层周向力计算：

②碳纤维周向缠绕层受力分析

周向缠绕层经向力计算：

其中Y_T为碳纤维缠绕带在垂直纤维方向的抗拉强度；

周向缠绕层周向力计算：

③在内压作用下，气瓶筒身段的经向外力为

其中p为气瓶的所承受的内压；

④在内压作用下，气瓶筒身段的周向外力为

其中p为气瓶的所承受的内压；

⑤筒身段经向爆破压力计算

气瓶筒身段的经向平衡条件可得

可得气瓶筒身段经向爆破压力为

⑥筒身段周向爆破压力计算

气瓶筒身段的周向平衡可得

可得气瓶筒身段周向爆破压力为

(2)塑料内胆碳纤维全缠绕高压氢气瓶封头段的计算

封头段的极孔外径为d；

对于椭圆形封头的任意周向截面，以该周向截面为锥底做一个圆锥体，圆锥表面与椭圆形封头周向截面垂直，该周向截面的曲率半径为对应的锥角为α，圆锥的母线长度为ρ_α；

则在内压p的作用下，封头的周向薄膜内力经向薄膜内力F_α与曲率半径和ρ_α的关系如下

根据封头段的内力与外力的平衡条件可以得到

根据封头段的内力与碳纤维缠绕带的静力平衡条件可得周向平衡方程和经向平衡方程分别为

解周向平衡方程和经向平衡方程可得封头段的周向爆破和经向平衡压力分别为

则塑料内胆碳纤维全缠绕高压氢气瓶的爆破强度为筒身段经向爆破压力、筒身段周向爆破压力、封头段周向爆破压力和封头段经向爆破压力的最小值，即：

p_b＝min{p₁,p₂,p₃,p₄} (19)

由此完成塑料内胆碳纤维全缠绕高压氢气瓶的爆破强度的预算。