[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

说明书

本发明公开了一种用于复合材料压力容器的纤维缠绕线型设计方法，包括以下步骤：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；根据压力容器芯模参数以及缠绕参数，计算一束纤维所覆盖的横截面宽度，由此可得分割数M；使用等缠绕角曲线、半测地曲线和测地曲线组成纤维路径，计算跳跃数K；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。本发明还提供了基于上述纤维缠绕线型设计方法的计算机辅助系统。本发明涉及复合材料、纤维缠绕以及计算机辅助设计领域，解决了现有压力容器缠绕线型设计自由度低的问题，能够根据产品性能要求完成线型设计，有效提高复合材料压力容器的设计和生产效率。

技术领域

本发明属于复合材料加工和计算机辅助设计技术领域，涉及一种复合材料、纤维缠绕以及计算机辅助设计领域，用于复合材料压力容器的缠绕线型设计和仿真。

背景技术

复合材料以其高强度重量比和优异的耐侵蚀性，在航空航天、化工、电力、汽车等行业得到了广泛的应用。近年来，汽车工业特别是对储存高密度氢气的轻型容器的需求推动了复合材料工业的创新和应用[1,2]。

压力容器一般由圆筒和圆顶封头组成，ISO 11439[3]将其分为四类：金属容器、复合材料包裹的金属内支撑(包裹层承受550％的压力载荷)、复合材料包裹的金属内支撑(包裹层承受80％的压力载荷)、复合材料完全缠绕在非承重塑料衬垫上的容器(衬垫用作纤维缠绕工艺的芯轴)。如今工业界已能生产出复合材料缠绕的无内衬容器，这进一步扩大了储存压缩气体的纤维缠绕技术的使用空间[4]。作为3、4型容器的复合材料缠绕件，要承受80％以上的内压，其性能在很大程度上取决于复合材料和缠绕工艺。因此，纤维缠绕容器的设计与优化引起了众多研究人员和工程技术人员的关注。目前，纤维缠绕压力容器的研究工作很多，包括圆顶形状优化、纤维缠绕设计和应力分析等。

Vasiliev等人[5]提出了一种基于最大可靠性和合理质量要求的容器穹顶最佳形状设计方法，使压力容器在与相应设计偏差不大的情况下仍具有适当的安全爆破压力。祖磊等人[6]研究了基于半测地线的纤维缠绕穹顶的最佳形状，指出其结构性能优于基于测地线的穹顶。T.L.Teng等人[7]给出了压力容器平面缠绕圆顶形状的优化设计。CU Kim等人[8]提出了一种基于半测地线路径算法的内压纤维缠绕结构优化设计方法。祖磊等人[9]利用SUMT的非测地线法和内点法求解了复合材料压力容器的最佳缠绕参数。郭凯特等[10]在圆筒与圆顶之间的过渡区域采用半测地线，使纤维路径在圆顶端部转向，给出了不等极开口复合材料压力容器缠绕型式的设计方法。目前纤维缠绕压力容器的优化方法大多是基于半测地线，然而半测地线还不能满足许多缠绕要求，这将削弱缠绕线型的设计自由度。最近，许多关于应力和爆破压力分析的工作表明，筒体和筒顶过渡区在内压作用下是脆弱的[11-14]，爆破压力对缠绕角度非常敏感[15，16]。试验和有限元分析表明，等缠绕角有助于满足缠绕压力容器的设计要求，提高缠绕压力容器的性能，因此在缠绕型式设计中引入等缠绕角曲线十分必要。

发明内容

为了解决现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种用于复合材料压力容器的纤维缠绕线型设计方法，并基于此开发了缠绕压力容器CAD/CAM系统。

本发明涉及复合材料、纤维缠绕以及计算机辅助设计领域，解决了现有压力容器缠绕线型设计自由度低的问题，能够根据产品性能要求完成线型设计，有效提高复合材料压力容器的设计和生产效率。

本发明利用测地线、半测地线和等缠绕角曲线之组合，显著增加了线型设计的自由度，有助于缠绕线型的优化设计；芯模的圆柱部使用测地曲线缠绕，芯模的穹顶部分则使用等缠绕角曲线和半测地线的组合曲线缠绕，确保缠绕曲线在芯模端部自动回转，同时尽可能减少纤维堆叠厚度。