[发明专利]在特定有限元方法中有效计算多纤维组材料的算法

说明书

技术领域

本发明总体上涉及一种在有限元方法(FEM)模拟中计算多向复合材料的方法，更具体地涉及一种在FEM模拟中计算多向复合材料的方法，该方法包括：将被模拟的复杂纤维结构转化为简化的单层单元，并且确定所述单元上的应力，从而减少模拟所述结构中的每个单独纤维上的应力所需的计算量。

背景技术

氢是非常有吸引力的燃料，因为它是清洁的并且能够用来在燃料电池中有效地产生电。汽车工业投入大量资源来开发作为车辆动力源的氢燃料电池系统。这种车辆将会比使用内燃机的现代车辆更高效并且产生更少的排放。

通常，氢存储在车辆上的处于高压下的压缩气罐中以便为燃料电池系统提供所需的氢。压缩罐中的压力可高达700bar。在一个已知设计中，压缩罐包括为氢提供不透气的密封的塑料内衬和为罐提供结构完整性的外部碳纤维复合层。由于氢是非常轻且易扩散的气体，内衬和例如O形环的罐连接部件必须被精心设计以防止泄露。氢通过管道从罐中离开。通常提供至少一个压方调节器，该压力调节器将罐内的氢气压力降低到适于燃料电池系统的压力。

用于氢存储罐类型的高压罐和容器的外层材料通常是复合材料，包括纤维和基体材料的组合，其中纤维沿多个方向取向。一个纤维取向被称为一层(a ply or a layer)。不同纤维取向的堆叠被称为层构造(layer set-up)。纤维通过预定的纤维缠绕过程被缠绕在心轴上以形成容器的外层。

当设计这种类型的容器时，通常使用有限元方法(FEM)的算法，该算法模拟复合纤维如何以不同的纤维取向被缠绕而满足罐的所需结构完整性。FEM是众所周知的结构设计和分析方法，它可以模拟在容器上产生的应力。所述算法使用多种输入，包括复合材料特性、纤维取向、容器在车辆中的位置等。对用于燃料电池车辆的氢存储罐而言，需要确定由于车辆碰撞而产生的罐上的应力位置。在此方面，容器的位置是重要的，因为在罐周围的车辆结构部件会在碰撞事件中刺穿罐。因此，该算法在模拟过程中考虑了罐上的应力以确定容器能否令人满意地承受住应力。然而，由于用于确定不同情况下每个纤维上的应力的模拟和计算的性质，用于这种FEM模拟的计算成本和计算时间的量非常大。

发明内容

根据本发明的教导，公开了一种在用于设计高压罐的FEM模拟中用于计算多向复合材料的方法。该方法起始于读取用于模拟的数据，这些数据包括纤维取向和复合材料性质。然后，对于每个FEM单元，该方法计算带方向的层的刚度并且将计算出的刚度转换为用于每层的局部坐标系统。该方法随后计算作为层构造的成组纤维取向的刚度。该方法随后计算用于层构造的工程常数和用于层构造的应力限值的等效值。该方法随后使用工程常数来计算FEM单元上的应力并且确定计算出的应力是否超过用于每个单元的预定应力限值。如果计算出的应力超过该应力限值，那么该算法切换到计算每层应力的复杂应力计算。该方法随后估计用于每个单元的每层的应力限值，如果有一层超过应力限值，则采取合适的步骤，例如识别材料性能失效。

方案1、一种对使用多向复合纤维的结构进行模拟的方法，所述方法包括：

提供关于复合纤维的输入数据；

在所述结构中识别多个单元，其中每个单元包括具有不同取向的多个纤维；

针对所述多个单元中的每个，计算该单元中的每个纤维的刚度，使用每个纤维的刚度计算值来计算成组纤维取向的刚度，使用所述成组纤维取向的刚度来计算该单元的工程常数，所述工程常数识别出用于该单元中的组合纤维的单元应力，以及计算用于该单元的层构造的等效应力限值；

使用计算出的工程常数来计算每个单元上的应力；

判定计算出的每个单元上的应力是否超过第一预定应力限值；

如果每个单元都不超过所述第一预定应力限值，则判定所述结构是令人满意的；

如果计算出的特定单元的应力超过所述第一预定应力限值，则在所述特定单元中对每个纤维执行层上应力计算；以及

如果所述特定单元中的每个纤维的层上应力计算值都不超过第二预定应力限值，则判定所述特定单元是令人满意的。

方案2、如方案1所述的方法，还包括：如果单元中的单个纤维超过所述第二预定应力限值，则判定存在失效。

方案3、如方案1所述的方法，其中提供关于复合纤维的输入数据包括提供纤维取向、纤维材料以及纤维强度和刚度。

方案4、如方案1所述的方法，其中所述模拟是有限元方法分析模拟。

方案5、如方案1所述的方法，其中计算单元中的每个纤维的刚度包括沿三个正交方向计算该单元中的每个纤维的刚度。