[发明专利]一种预测纤维全缠绕复合材料气瓶爆破压力的方法

摘要

本发明涉及高压储氢气瓶制造技术，旨在提供一种预测纤维全缠绕复合材料气瓶爆破压力的方法。包括下述过程：建立含变厚度变角度封头的纤维全缠绕复合材料气瓶有限元模型；基于微观力学对复合材料建立多尺度模型；利用FORTRAN语言编写的ABAQUS‑UMAT即ABAQUS用户静态材料子程序模块，基于多尺度模型对复合材料气瓶进行渐进失效分析，求取爆破压力；本发明从微观角度对纤维和基体组分的损伤进行判别以及对损伤变量进行计算，相比于传统的唯象宏观失效准则，该方法能更准确的确定复合材料的失效模式，需要确定的材料参数则更少，因此能高效准确的对纤维全缠绕复合材料气瓶进行渐进失效分析，获取爆破压力。

主权项

1.一种预测铝内胆纤维全缠绕复合材料气瓶爆破压力的方法，其特征在于，包括下述过程：一、建立含变厚度变角度封头的纤维全缠绕复合材料气瓶有限元模型；二、基于微观力学对复合材料建立多尺度模型；三、利用FORTRAN语言编写的ABAQUS‑UMAT即用户静态材料子程序模块，基于多尺度模型对复合材料气瓶进行渐进失效分析，求取爆破压力；所述过程一中，建立含变厚度变角度封头的纤维全缠绕复合材料气瓶有限元模型：基于ABAQUS建立复合材料气瓶部件，分别对内胆和复合材料纤维层设置材料属性和划分网格，再用ABAQUS‑ASSEMBLY模块对其组装之后设置分析步、变量输出、加载方式以及边界条件；所述过程二具体包括下述步骤：步骤(1)：建立微观应力和宏观应力的对应关系以及求取应力放大系数分量：(a)微观应力和宏观应力的对应关系其中，M_σ为应力放大系数，M_ij(i，j＝1，2，3，4，5，6)为应力放大系数的分量，σ为微观应力，为宏观应力；(b)获取应力放大系数分量；为了获得应力放大系数，本发明建立正六面体的复合材料微观胞元，其尺寸为针对三个正方向(1，2，3)和三个剪切方向(4，5，6)六种加载情况，分别对胞元施加单位应力载荷，得到微观胞元的应力分布；其中微观胞元每点的应力分布即为该点的应力放大系数；为了简化，分别从微观胞元的纤维和基体上选取若干点，计算出纤维和基体的应力放大系数并且存储在参数文件中；步骤(2)：建立宏观应力和应变的本构关系；其中，和为宏观应力和宏观应变；C_d为含损伤刚度矩阵，d_f和d_m为纤维损伤变量和基体损伤变量；为弹性刚度矩阵分量，由材料弹性模量和泊松比材料参数计算得到；步骤(3)：建立基于微观力学的纤维和基体失效判据：(c)针对纤维组分，损伤初始判据为：‑C_f＜σ_f＜T_f；其中，T_f和C_f为纤维拉伸强度和纤维压缩强度，σ_f为纵向方向的纤维微观应力；(d)针对基体组分，损伤初始判据为：其中，T_m和C_m分别为基体拉伸和压缩强度，σ_i(i＝1，2，3，4，5，6)为六个微观应力分量，I₁和σ_vm分别为第一微观应力不变量和微观Mises应力；步骤(4)：采用参数化折减刚度矩阵的方法，对满足失效准则的单元应力进行应力更新；当纤维达到初始失效判据时，将d_f设为1，当基体达到初始失效判据时，将d_m设为1；所述过程三具体包括下述步骤：步骤(5)：通过ABAQUS用户子程序UMAT实现上述过程，ABAQUS‑UMAT是由应变驱动，把纤维损伤和基体损伤变量定为UMAT的状态变量；随着载荷增加，首先读取材料信息、应力放大系数和状态变量值SDV，根据步骤(2)计算宏观应力，再由步骤(1)计算微观应力，将计算的微观应力代入步骤(3)判别纤维和基体是否进入损伤，如果没有进入损伤，则直接进行应力应变的更新；如果进入损伤，则根据步骤(4)对单元刚度矩阵进行折减，使用折减的单元刚度矩阵进行应力应变的更新，同时将损伤数值存储为状态变量SDV；步骤(6)：将过程一建立的模型主文件和步骤(5)建立的ABAQUS‑UMAT用户子程序联合，使用ABAQUS/Standard模块对纤维全缠绕复合材料气瓶进行渐进失效分析，得到爆破压力。