[发明专利]一种复合气瓶缠绕增强层优化设计方法及其应用

权利要求书

1.一种复合气瓶缠绕增强层优化设计方法，其特征在于该方法包括以下步骤：(a)建立封头的椭圆坐标表达式；(b)根据封头的椭圆坐标表达式，计算封头不同位置的曲率半径；(c)根据设计的爆破压力，计算封头各点的受力状态；(d)根据变角度和变厚度公式，计算首层螺旋缠绕层纤维的角度和厚度；(e)根据极孔位置的薄膜应力和首层缠绕层单层承载能力，计算首层缠绕层层数；(f)根据步骤(e)的结果，比较各位置应力状态和承载能力，计算扩孔缠绕位置并进行扩孔缠绕层计算；(g)根据螺旋缠绕层在筒身段环向承载能力，对筒身进行环向缠绕层设计。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(a)中建立的封头椭圆坐标表达式如下：

其中z代表平行圆到赤道圆的垂直距离，单位mm；r代表封头平行圆半径，单位mm；a代表椭圆的长轴长度，80mm≤a≤800mm；b代表椭圆的短轴长度，50mm≤b≤600mm。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(b)中计算封头不同位置的曲率半径表达式如下：

其中代表经线主曲率半径，单位mm；R_θ代表平行圆线主曲率半径，单位mm；r代表封头平行圆半径，单位mm，z代表平行圆到赤道圆的垂直距离，单位mm。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(c)中封头不同位置的薄膜应力计算方法如下：

其中代表经线方向薄膜应力，单位N；N_θ代表平行圆线方向薄膜应力，单位N；P为设计爆破压力，单位N。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(d)中首层螺旋缠绕层纤维的角度和厚度计算方法如下：

α_r＝arcsin(r₀/r) (7)

其中α_r代表缠绕角，单位°；t代表封头各点纤维的厚度，单位mm；R代表筒身半径，单位mm；r₀代表极孔半径，单位mm；t_fα代表缠绕角度为α的缠绕层筒身段厚度，单位mm。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(e)中选择距离极孔根部不超过5个带宽的点位作为参考点，基于封头缠绕设计方法，参考点纤维层经线和平行圆方向承受内力分别为和N_θi，第一层纤维厚度最优化设计的依据为纤维层的强度刚好满足设计内压状况下的薄膜应力，依据经线和平行圆线方向的受力计算第一缠绕层纤维的角度和厚度，极孔根部厚度选取具体计算方法如下：

其中下标i表示当前位置，代表依据经线方向受力计算所得该点纤维厚度，单位mm；t_fθi代表依据平行圆方向受力计算所得该点纤维厚度，单位mm；代表该点纤维层径向承受内力，单位N；N_θi代表该点纤维层纬向承受内力，单位N；σ_i代表该点纤维应力，单位MPa；α_i代表该点的缠绕角；其中首层缠绕层纤维的角度α_r取值范围为5°-30°。