[发明专利]一种封头-筒身一体化纤维缠绕复合材料气瓶的设计方法

摘要

本发明涉及一种封头-筒身一体化纤维缠绕复合材料气瓶的设计方法，该复合材料气瓶可用于火箭及导弹高压气瓶、车载天然气存储压力容器等。本发明可以实现复合材料高压气瓶缠绕铺层快速与优化设计，减少甚至避免气瓶设计、分析与验证的反复性。

主权项

1.一种封头-筒身一体化纤维缠绕复合材料气瓶的设计方法，其特征在于步骤为：第一步：确定复合材料气瓶的设计要求，即复合材料气瓶的容积V、包络尺寸、工作压力p和爆破强度p_b；第二步：确定气瓶内衬的几何尺寸设定气瓶筒身长度L、半径R、气瓶管嘴外径，根据第一步中气瓶的容积V与包络尺寸，得到内衬封头椭球面半轴B为B=3(106V-πR2L)4πR2---(1)]]>第三步：获取初始材料数据对纤维复合材料进行力学性能测试，获取纤维材料的拉伸强度σ_fb；第四步：进行复合材料气瓶封头及筒身纤维缠绕铺层设计（1）基本参数计算(1.1)气瓶封头的曲率半径计算气瓶封头采用旋转对称椭球封头，则主曲率坐标线为子午线线和平行圆线θ线；气瓶封头各点的子午线线主曲率半径为平行圆线θ线主曲率半径R_θ为Rθ=-(z2R4B4+r2)1/2---(3)]]>式中，r为封头平行圆半径，z为平行圆到气瓶肩部的距离；（1.2）缠绕角计算气瓶封头部分的纤维采用测地线方式缠绕，根据纤维缠绕的扩孔半径r_i与封头各处的平行圆半径r计算得到缠绕纤维在封头各处的缠绕角为α_i(r)α_i(r)=sin^-1(r_i/r)  （4）式中，i=1、2、3…N，N为缠绕扩孔的次数；(1.3)各缠绕层纤维爆破强度贡献计算采用对称缠绕铺层方法进行铺层；以±α_i(r)为缠绕角的2n_i层螺旋缠绕纤维在封头处提供的纵向爆破强度为式中，σ_fb为纤维的拉伸强度，表示以±α_i(r)为缠绕角的缠绕纤维厚度，n_i为第i次扩孔缠绕所含纤维束的层数，h为单束纤维纱片厚度；环向爆破强度为（2）复合材料气瓶封头段纤维螺旋缠绕铺层设计（2.1）首次扩孔缠绕以气瓶接管嘴外半径r₁为首层缠绕纤维的扩孔半径，设定首次扩孔缠绕纤维层数n₁与厚度为则该缠绕纤维在封头各处对应的爆破强度p¹(r)为纵向爆破强度与环向爆破强度的较小值，即（2.2）第二次扩孔缠绕当首次扩孔缠绕纤维在封头各处提供的爆破强度小于气瓶的修正设计爆破强度时，则需要进行第二次扩孔缠绕铺层；第二次扩孔缠绕纤维的对应的平行圆半径r₂通过下式确定p¹(r₂)=p_bn  （8）式中，p_bn为复合材料气瓶封头段的修正设计爆破强度，p_bn取0.3p_b～0.5p_b；设定第二次扩孔缠绕纤维层数为n₂，厚度为（2.3）第三次扩孔缠绕在r≥r₂范围内，在封头平行圆半径r处由厚度缠绕纤维提供的爆破强度为第三次扩孔半径r₃可以通过下式确定p²(r₃)=p_bn  （10）设定第三次扩孔缠绕纤维层数为n₃，厚度为（2.4）第N次扩孔缠绕与（2.3）缠绕扩孔采用同样的方法，进行多次扩孔铺层设计，直至第N次扩孔后气瓶封头沿母线各点爆破强度均满足（3）气瓶筒身段铺层设计所有螺旋缠绕纤维在筒身段提供的环向爆破强度为pαbθ=Σi=1Npθi(R)---(12)]]>筒身段环向缠绕纤维层厚度为hfθ=R(pb-pαbθ)σfb---(13).]]>