CN115307052B - 一种复合气瓶缠绕增强层优化设计方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种复合气瓶缠绕增强层优化设计方法及其应用。首先通过一系列公式，计算设计爆破压力下封头及筒身各点受力；然后基于封头缠绕设计方法，根据极孔根部受力设计第一纤维缠绕层；接着对比第一纤维缠绕层强度与封头受力，定位该缠绕层下的受力薄弱点，基于该点进行第一次扩孔缠绕，实现该点的补强；基于以上方法进行多次螺旋缠绕层的扩孔缠绕，根据螺旋缠绕层的缠绕角度和层数，计算螺旋层在筒身环向承载强度及与筒身环向设计强度的差值，根据差值进行环向缠绕层设计；最后针对不同缠绕方案，设计纤维缠绕层重量计算方法，实现气瓶缠绕层最优化设计。本发明方法避免了反复迭代修正，提高了设计效率，实现了Ⅳ型气瓶缠绕增强层最优化设计。

Description

一种复合气瓶缠绕增强层优化设计方法及其应用

技术领域

本发明涉及压力容器及氢能源技术领域，具体涉及一种复合气瓶缠绕增强层优化设计方法及其应用。

背景技术

储氢技术是发展氢能源汽车的关键。传统金属内衬的III型气瓶开发、应用技术在我国日趋成熟，但是这种气瓶存在明显的氢脆效应和疲劳性能差等缺点，用作车载储氢气瓶存在巨大阻碍。近些年来逐渐发展起来的以塑料为内衬的IV型气瓶，为提高车载气瓶的储氢密度、疲劳性能和氢气阻隔性能提供了一种可行的思路。

传统金属内衬的III型气瓶缠绕层大多基于筒身受力进行分析设计，封头部分的缠绕设计往往根据经验进行估算，然后利用有限元反复迭代验证，这种设计方法不仅效率低下而且无法保证缠绕层设计的最优化，存在局部纤维用量过设计，显著增加了气瓶的综合成本。高压IV型气瓶(工作压力不低于70MPa)安全设计规范要求在筒身处首先发生破坏，然而按照现有基于筒身受力的设计方法得到的气瓶结构，其封头部分的受力情况并不明确，因此无法准确设计气瓶预先失效部位，满足不了相关标准、规范要求。

检索发现，中国专利CN103672388A公开了一种封头-筒身一体化纤维缠绕复合材料气瓶设计方法，该方法基于网格设计理论对复合材料气瓶缠绕铺层进行快速设计。分析可知，单一缠绕角度工况下，高压IV型气瓶封头段缠绕层的强度薄弱点在极孔根部部位，因此首次扩孔缠绕设计尤为重要。中国专利CN103672388A公开了一种封头-筒身一体化纤维缠绕复合材料气瓶设计方法，该方案并不能满足高压IV型气瓶的设计要求，尤其是首次扩孔缠绕设计方法，凭经验任意选取缠绕层数。此外该方法还需要反复迭代验证修改，无法实现气瓶快速高效设计。

为此，本发明提供一种全新的复合气瓶缠绕增强层优化设计方法，根据缠绕纤维强度和气瓶薄膜应力，快速、精确设计纤维缠绕方式和缠绕层数量，最终实现了气瓶结构的高效、可靠优化设计。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种复合气瓶缠绕增强层优化设计方法，该方法包括以下步骤：(a)建立封头的椭圆坐标表达式；(b)根据封头的椭圆坐标表达式，计算封头不同位置的曲率半径；(c)根据设计的爆破压力，计算出封头各点的受力状态；(d)根据变角度和变厚度公式，计算首层螺旋缠绕层纤维的角度和厚度；(e)根据极孔位置的薄膜应力和首层缠绕层单层承载能力，计算首层缠绕层层数；(f)根据步骤(e)的结果，比较各位置应力状态和承载能力，计算扩孔缠绕位置并进行扩孔缠绕层计算；(g)根据螺旋缠绕层在筒身段环向承载能力，对筒身进行环向缠绕层设计。

进一步的，步骤(a)中建立的封头椭圆坐标表达式如下：

其中z代表平行圆到赤道圆的垂直距离，单位mm；r代表封头平行圆半径，单位mm；a代表椭圆的长轴长度，单位mm；b代表椭圆的短轴长度，单位mm。

更进一步的，80≤a≤800，优选为160≤a≤400；50≤b≤600，优选为100≤b≤300。

进一步的，步骤(b)中计算封头不同位置的曲率半径表达式如下：

其中代表经线主曲率半径，单位mm；R_θ代表平行圆线主曲率半径，单位mm；r代表封头平行圆半径，单位mm，z代表平行圆到赤道圆的垂直距离，单位mm。

进一步的，步骤(c)中封头不同位置的薄膜应力计算方法如下：

其中代表经线方向薄膜应力，单位N；N_θ代表平行圆线方向薄膜应力，单位N；P为设计爆破压力，单位N。

进一步的，步骤(d)中封头首层螺旋缠绕层纤维的角度和厚度的计算方法如下：

α_r＝arcsin(r₀/r) (7)

其中α_r代表封头各点纤维方向与子午线的夹角(即缠绕角)，单位°；t代表封头各点纤维的厚度，单位mm；R代表筒身半径，单位mm；r₀代表极孔半径，单位mm；t_fα代表缠绕角度为α的缠绕层筒身段厚度，单位mm。

进一步的，步骤(d)中极孔半径r₀小于筒身半径R₀，优选为r₀＜0.5R₀。

进一步的，步骤(e)中距离极孔根部一定距离选取参考点，基于封头缠绕设计方法，参考点纤维层经线和平行圆方向承受内力分别为和N_θi，第一层纤维厚度最优化设计的依据为纤维层的强度刚好满足设计内压状况下的薄膜应力，依据经线和平行圆线方向的受力计算第一缠绕层纤维的角度和厚度，极孔根部厚度选取/>具体计算方法如下：

t_fθi＝N_θi/σ_isin²α_i (10)

其中下标i表示当前位置，代表依据经线方向受力计算所得该点纤维厚度，单位mm；t_fθi代表依据平行圆方向受力计算所得该点纤维厚度，单位mm；/>代表该点纤维层径向承受内力，单位N；N_θi代表该点纤维层纬向承受内力，单位N；σ_i代表该点纤维应力，单位MPa；α_i代表该点纤维方向与子午线的夹角(即缠绕角)。

更进一步的，步骤(e)中首层缠绕层纤维的角度α_r取值范围为5°-30°，优选为10°-20°。

更进一步的，步骤(e)中选取距离极孔根部不超过5个带宽的点位作为参考点，优选0.5-3个带宽。

进一步的，步骤(f)中根据首层缠绕层不同位置纤维的角度和厚度，计算缠绕层各点径向强度和平行圆向强度T_θi，对比封头各点径向薄膜应力/>和平行圆向薄膜应力N_θi，由极孔根部点沿子午线出发，向筒身位置定位该缠绕层下第一个/>或T_θi≤N_θi点，在该点处进行扩孔缠绕，缠绕层为2n(n为正整数)；基于同样的原理和方法，考虑叠加效应，依次进行多次扩孔缠绕，直至封头段经纬向强度达到设计要求，具体计算方法如下：

T_θi＝∑σ_ft_fisin²α_i (12)

其中下标i表示当前位置，代表依据经线方向承载合力，单位N；T_θi代表依据平行圆方向承载合力，单位N；σ_f代表纤维发挥强度，单位MPa。

更进一步的，步骤(f)中缠绕层数为2-20，优选2-10；扩孔次数不超过8次，优选2-5次。

进一步的，步骤(g)中环向补强层数大于计算层数，优选大于计算层数2-6层。

进一步的，针对不同缠绕方案，设计了纤维缠绕层重量的计算方法，进而对纤维和树脂用量进行评估，具体计算公式如下：

其中M代表缠绕层整体质量，单位g；t_fα代表筒身段缠绕层单层厚度，单位mm；ρ_f代表60％纤维体分比复合材料密度，单位g/mm²；z_i代表螺旋缠绕层在封头的高度，单位mm；r_i代表扩孔半径，单位mm；R代表筒身直径，单位mm；L代表筒身长度，单位mm。

本发明的另一目的在于提供上述方法在设计、制造高压储氢气瓶方面的应用。

本发明首先计算出了设计爆破压力下封头及筒身各点受力，然后基于封头缠绕设计方法，根据极孔根部受力设计出了第一纤维缠绕层；接着对比第一纤维缠绕层强度与封头受力，定位该缠绕层下的受力薄弱点，基于该点进行第一次扩孔缠绕，实现该点的补强设计；再基于以上方法进行多次扩孔缠绕，根据扩孔缠绕强度累加，对筒身进行环向缠绕强度补强设计；最后针对不同缠绕方案，设计出了纤维缠绕层重量计算方法，实现气瓶缠绕层最优化设计。按照本发明方法设计得到的高压IV型气瓶，能够在满足爆破压力设计要求的前提下，实现纤维用量最少的目标，同时还避免了设计阶段的反复迭代验证，实现缠绕层的高效设计。

与现有技术相比，本发明的有益效果主要体现在以下几个方面：

(1)发明人研究分析提出了基于极孔根部参考点的第一层纤维缠绕层计算方法，不仅丰富、完善了气瓶整体缠绕层设计，而且有效的提高了整个气瓶的设计可靠性；

(2)相对于此前现有的设计方法，本发明提出的缠绕层设计方法复杂程度大幅减小，克服了因首层设计依靠经验选取引起的反复迭代验证等问题，极大的提高了高压IV型气瓶设计效率；

(3)基于缠绕厚度和缠绕角度，本发明提出了纤维缠绕层重量的计算方法，实现了气瓶整体质量的快速估算，为气瓶后期实验验证提供了理论依据；

(4)整个设计方法科学、高效，并且已经被其他方法证明行之有效，具有较好的应用前景。

附图说明

图1为本发明封头示意图；

图2为本发明扩孔示意图；

图3为本发明扩孔设计不同位置承载力对比图；

图4为利用有限元计算爆破压力下缠绕层截面应力云图。

具体实施方式

为使本领域普通技术人员充分理解本发明的技术方案和有益效果，以下结合具体实施例及附图进行进一步说明。

实施例1

一种容量为9L的Ⅳ型气瓶的缠绕层设计方法，具体过程如下：

(1)该气瓶的几何参数、纤维参数和设计参数如表1所示。

表1 Ⅳ型气瓶各项参数表

(2)参阅图1所示封头几何轮廓示意图，与赤道圆平行方向为纬线方向，与赤道圆垂直方向为径向方向。依次计算封头椭圆坐标表达式、封头各点曲率半径和爆破压力下封头各点薄膜应力，根据参考点应力状态和首层缠绕层承载能力，得到首层缠绕层缠绕角度和层数，分别为13°和10层。

表2首层纤维缠绕层缠绕角度和层数计算结果表

(3)参阅图2所示，r₀为极孔半径，r₁为第1次扩孔半径，r_j为第j次扩孔半径。扩孔计算由极孔根部点沿子午线出发，向筒身位置定位该缠绕层下第一个或T_θi≤N_θi点，接着在该点进行扩孔缠绕，缠绕层为预设值，若两次扩孔之间的弧长间隔小于设置的扩孔间隔KD，则按照扩孔间隔重新计算该层缠绕层层数。基于以上原理和方法，考虑叠加效应依次进行5次扩孔缠绕，直至封头段经纬向强度达到设计要求。

此时经线和纬线方向纤维受力与对应薄膜应力关系如图3所示。图中横轴是封头截面半径，纵轴是承载力，左图是不同位置经线方向膜应力和扩孔后缠绕层承载力的对比，右图是不同位置纬线方向膜应力和扩孔后缠绕层承载力的对比，虚线表示膜应力，实线表示首层/扩孔后累加承载力。从图3可知，经过多次扩孔后，两个方向的纤维承载能力均满足对应点薄膜应力，这说明缠绕结构设计合理。对应的扩孔角度和层数如表3所示。

表3扩孔角度和层数

(4)根据表3中螺旋缠绕层信息，计算螺旋层在筒身段环向的承载能力，对筒身进行环向缠绕强度补强，经过计算环向缠绕层层数为28层。

(5)根据缠绕方案和前述纤维缠绕层重量计算方法，对纤维用量进行评估，计算可知本方案缠绕层质量为5.184kg。

表4纤维用量计算表

层分类	环向层	首层	1次扩孔	2次扩孔	3次扩孔	4次扩孔	5次扩孔	总计
									单层质量(kg)	0.08175	0.115	0.113	0.1107	0.10965	0.1049	0.1011
层数	28	10	4	4	4	2	2	54
									质量(kg)	2.289	1.15	0.452	0.4428	0.4386	0.2098	0.2022	5.184

为了了解上述复合气瓶缠绕增强层优化设计方法的可行性，依据缠绕设计方案使用有限元方法进行了验证。通过ABAQUS软件的WCM插件，建立气瓶缠绕层1/4实体模型，由于WCM插件的局限性，不能反映出极孔附加的纤维积累现象，模型极孔附近的厚度只有实际缠绕厚度的2/3左右，计算结果在极孔附近时会产生较大误差，但在其他位置不会产生较大误差。对缠绕层内部施加210MPa内压，得到缠绕层应力云图，如图4所示。

从图4可以看出，当承受210MPa时除极孔附近外，复合材料纤维方向应力没有达到复合材料纤维方向拉伸破坏强度(2520MPa)，极孔附近的平均纤维方向应力为4200MPa，符合因厚度失真导致的应力增加。缠绕层应力与设计方案中的计算结果基本吻合，由此证实了本发明设计方案的有效性和准确性。

Claims (7)

1.一种复合气瓶缠绕增强层优化设计方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

(a)建立封头的椭圆坐标表达式

其中z代表平行圆到赤道圆的垂直距离，r代表封头平行圆半径，a代表椭圆的长轴长度，b代表椭圆的短轴长度；

(b)根据封头的椭圆坐标表达式，计算封头不同位置的曲率半径

其中代表经线主曲率半径，R_θ代表平行圆线主曲率半径，r代表封头平行圆半径，z代表平行圆到赤道圆的垂直距离；

(c)根据设计的爆破压力，计算封头各点的受力状态

其中代表经线方向薄膜应力，N_θ代表平行圆线方向薄膜应力，P为设计爆破压力；

(d)根据变角度和变厚度公式，计算首层螺旋缠绕层纤维的角度和厚度

α_r＝arcsin(r₀/r) (7)

其中α_r代表缠绕角，t代表封头各点纤维的厚度，R代表筒身半径，r₀代表极孔半径，t_fα代表缠绕角度为α的缠绕层筒身段厚度；

(e)根据极孔位置的薄膜应力和首层缠绕层单层承载能力，计算首层缠绕层层数，具体过程为：选择距离极孔根部不超过5个带宽的点位作为参考点，基于封头缠绕设计方法，参考点纤维层经线和平行圆方向承受内力分别为和N_θi，第一层纤维厚度最优化设计的依据为纤维层的强度刚好满足设计内压状况下的薄膜应力，依据经线和平行圆线方向的受力计算第一缠绕层纤维的角度和厚度，极孔根部厚度选取/>具体计算方法如下：

t_fθi＝N_θi/σ_isin²α_i (10)

其中下标i表示当前位置，代表依据经线方向受力计算所得该点纤维厚度，t_fθi代表依据平行圆方向受力计算所得该点纤维厚度，/>代表该点纤维层径向承受内力，N_θi代表该点纤维层纬向承受内力，σ_i代表该点纤维应力，α_i代表该点的缠绕角；

(f)根据步骤(e)的结果，比较各位置应力状态和承载能力，计算扩孔缠绕位置并进行扩孔缠绕层计算，具体过程如下：根据首层缠绕层不同位置纤维的角度和厚度，计算缠绕层各点径向强度和平行圆向强度T_θi，对比封头各点径向薄膜应力/>和平行圆向薄膜应力N_θi，由极孔根部点沿子午线出发，向筒身位置定位该缠绕层下第一个/>或T_θi≤N_θi点，在该点处进行扩孔缠绕；基于同样的原理和方法，考虑叠加效应，依次进行多次扩孔缠绕，直至封头段经纬向强度达到设计要求，具体计算方法如下：

T_θi＝∑σ_ft_fisin²α_i (12)

其中下标i表示当前位置，代表依据经线方向承载合力，T_θi代表依据平行圆方向承载合力，σ_f代表纤维发挥强度；

(g)根据螺旋缠绕层在筒身段环向承载能力，对筒身进行环向缠绕层设计。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(a)中80mm≤a≤800mm，50mm≤b≤600mm。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(e)

中首层缠绕层纤维的角度α_r取值范围为5°-30°。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(f)中第一个或T_θi≤N_θi点处缠绕层为2-20，扩孔次数不超过8次。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(g)中环向补强层数大于计算层数2-6层。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：纤维缠绕层重量的计算公式如下：

其中M代表缠绕层整体质量，t_fα代表筒身段缠绕层单层厚度，ρ_f代表60％纤维体分比复合材料密度，z_i代表螺旋缠绕层在封头的高度，r_i代表扩孔半径，R代表筒身直径，L代表筒身长度。

7.权利要求1-6任意一项所述方法在设计、制造高压储氢气瓶方面的应用。