[发明专利]一种用于复合材料压力容器的缠绕线型设计方法及系统

权利要求书

1.一种用于复合材料压力容器的纤维缠绕线型设计方法，其特征在于，包括下列步骤：

步骤A：旋转椭球面上的等缠绕角曲线，确定不打滑等缠绕角曲线的打滑系数；所述等缠绕角曲线是指纤维在缠绕芯模过程中缠绕角保持不变的曲线；

记椭球面的平行于旋转轴的半轴长为b，另一个半轴长为a；如果b≤3a，旋转椭球面上的等缠绕角曲线的打滑系数是单调递增的；如果不满足上述b≤3a条件，那么定义在部分的等缠绕角曲线的打滑系数是单调递增的；

根据所述单调性，纤维和芯模的摩擦系数记为μ，打滑系数为λ；步骤A中，所述不打滑等缠绕角曲线段的确定方法如下：

步骤A1：求解方程λ(y)＝μ，取所有解的上限y_μ；

步骤A2：如果b≤3a或者则不打滑等缠绕角曲线的区间是[0,y_μ]，否则转入A3；

步骤A3：如果b3a或者计算方程λ(y)＝μ落在区间的解，则从0到该解的等缠绕角曲线段是不打滑的；

步骤B：根据压力容器芯模参数以及缠绕参数，依据一束纤维覆盖横截面的宽度和横截面周长，计算完全覆盖芯模所需的纤维束数目，即分割数M；

步骤C：使用等缠绕角曲线、半测地曲线和测地曲线组成纤维路径，计算纤维往返缠绕一次后两个相邻落点之间的横截面弧长，覆盖该两点间的横截面圆弧所需的纤维束数量，即为跳跃数K；所述步骤C中的纤维缠绕曲线计算步骤如下：

步骤C1：芯模的圆柱段使用测地线缠绕，确保缠绕角不变；

步骤C2：穹顶与圆柱连接处附近采用不打滑等缠绕角曲线，仍保持缠绕角不变，直到其打滑系数接近μ；为了能使纤维在穹顶端部自动回转，随后使用半测地线缠绕至端部；

步骤C3：由测地线、等缠绕角曲线和半测地线组成的纤维路径再次回到出发点所在的横截面，计算覆盖该两点间的横截面圆弧所需的纤维束数量，即为跳跃数K；

步骤D：如果分割数与跳跃数互素，则根据纤维缠绕之代数模式理论，该纤维缠绕线型可以均匀覆盖芯模，完成线型设计；否则调整等缠绕角曲线和半测地线比例，和/或调整初始缠绕角，直到分割数和跳跃数互素。

2.根据权利要求1所述的用于复合材料压力容器的纤维缠绕线型设计方法，其特征在于，所述压力容器芯模左右两侧是两个旋转椭球面穹顶，其端部装有控制阀，中间是一个圆柱体；圆柱长和半径分别记为l和r，两端椭球面平行于旋转轴的半轴长为h_left和h_right，控制阀开口半径为r_left和r_right。

3.根据权利要求1所述的用于复合材料压力容器的纤维缠绕线型设计方法，其特征在于，所述步骤B中的分割数计算公式为其中w是纤维束宽度，α₀是初始缠绕角。

4.根据权利要求1所述的用于复合材料压力容器的纤维缠绕线型设计方法，其特征在于，所述步骤D中分割数与跳跃数不互素时，通过缩短等缠绕角曲线段，增加半测地线范围，即改变等缠绕角曲线和半测地线的比例，和/或调整初始缠绕角，从而改变跳跃数，直到分割数和跳跃数互素。

5.一种实现如权利要求1-4之任一项所述用于复合材料压力容器的纤维缠绕线型设计方法的系统，其特征在于，所述系统包括以下模块：

芯模及纤维参数输入模块，用于接收用户输入的芯模和缠绕参数；

纤维路径计算模块，用于设计和计算纤维路径；

芯模和纤维路径显示模块，用于显示芯模、纤维路径和动态缠绕仿真。