[发明专利]一种复合材料储氢气瓶纤维缠绕时内胆充压值的计算方法

说明书

本发明公开了一种复合材料储氢气瓶纤维缠绕时内胆充压值的计算方法。纤维缠绕层对气瓶内胆产生的外压P_外包括环向缠绕层对气瓶内胆产生的外压和螺旋缠绕层对气瓶内胆产生的外压；内胆的临界失稳载荷值P_cr的确定首先进行前屈曲分析，最后在前屈曲分析的基础上进行后屈曲分析，得到内胆的临界失稳载荷即为P_cr；纤维缠绕时内胆充压值P_充为P_充＝P_外‑P_cr，即可完成复合材料储氢气瓶纤维缠绕时内胆充压值的计算。本发明适用于各类复合材料储氢气瓶，便于改变缠绕张力、缠绕角度、缠绕层数、缠绕带宽及厚度等参数，进而得到不同缠绕方式下气瓶内胆的充压值，通过屈曲分析确定气瓶内胆的临界失稳载荷，使计算得到的内胆充压值更加贴近实际，其算简便，流程简单，便于工程应用。

技术领域

本发明涉及复合材料储氢气瓶结构稳定性分析与计算领域，涉及一种气瓶缠绕时内胆充压值的计算，具体涉及一种复合材料储氢气瓶纤维缠绕时内胆充压值的计算方法。

背景技术

随着化石燃料耗量的日益增加，不可再生资源储量日益减少，氢能源是一种理想的新的含能体能源，作为清洁能源是未来汽车行业发展的一种趋势，复合材料储氢气瓶作为氢能源汽车中不可或缺的一个组成部分，其生产制造具有很强的可设计性，与金属内胆复合材料储氢气瓶相比，在相同的压力、容积和外径下，塑料内胆具有质量轻、耐疲劳性强、成本低的特点，因此塑料内胆复合材料储氢气瓶正在逐步取代金属内胆成为复合材料储氢气瓶内胆的主力军。

为了防止纤维缠绕层出现松弛，对气瓶承载能力有一定的影响，所以在进行纤维缠绕时一般要对纤维带施加一定的缠绕张力来保证气瓶生产的质量，但是塑料内胆的储氢气瓶内壁较薄，由于缠绕张力的存在，在纤维缠绕过程中一定会对塑料内胆产生压应力，也就是相当于塑料内胆承受了外压，由于塑料的强度较低，塑料内胆很容易发生失稳变形，因此在进行缠绕纤维时需要给塑料内胆充一定的内压来平衡缠绕张力所产生的外压力，确保在纤维缠绕过程中塑料内胆的稳定性。目前国内外对塑料内胆复合材料储氢气瓶纤维缠绕时内胆的充压值的确定大部分根据经验，没有形成一个具体的计算方法，所以形成一个具体的纤维缠绕时内胆充压的计算方法是必要的。

发明内容

基于上述背景，本发明的目的在于提供一种复合材料储氢气瓶纤维缠绕时内胆充压值的计算方法，充分考虑了不同缠绕角度的所有缠绕层在缠绕张力的作用下对内胆产生的外压，通过后屈曲分析使计算得到的内胆充压值更加贴近实际，更加准确，且，能够适用于各类复合材料储氢气瓶，便于改变缠绕张力、缠绕角度、缠绕层数、缠绕带宽及厚度等参数，进而得到不同缠绕方式下气瓶内胆的充压值。

为实现上述目的，本发明采用以下的技术方案：

一种复合材料储氢气瓶纤维缠绕时内胆充压值的计算方法，包括以下步骤：

(1)纤维缠绕层对气瓶内胆产生的外压P_外的计算：

纤维缠绕层对气瓶内胆产生的外压P_外包括环向缠绕层对气瓶内胆产生的外压和螺旋缠绕层对气瓶内胆产生的外压；

(1.1)环向缠绕层对气瓶内胆产生的外压P_外1的计算：

设某层环向缠绕层带宽为a，单层环向缠绕纤维张力为F₁，气瓶内胆外半径为R，环向缠绕层对气瓶内胆产生的外压为P_外1，取内胆模型的一半进行分析，环向缠绕层对气瓶内胆产生的外压与缠绕张力处于平衡状态：

其中F_n为第n层的缠绕张力，a_n为第n层的缠绕带宽，n为环向缠绕层数；

n层环向纤维缠绕层对气瓶内胆产生的外压：