專利名稱：一種復合材料壓力容器的設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及壓力容器的設(shè)計方法，特別是涉及一種復合材料壓力容器的設(shè)計方法。
背景技術(shù)：
復合材料壓力容器具有輕質(zhì)高強、容重比高的特點。同時，相比金屬容器，具有未爆先漏的安全性優(yōu)勢。在現(xiàn)代清潔能源運用、航空航天等領(lǐng)域具有廣闊的應用前景。在容器的設(shè)計階段，疲勞壽命能否達到相關(guān)標準要求是檢驗設(shè)計方案的重要指標之一。企業(yè)一般遵照標準要求對容器進行有限元建模和仿真分析，并結(jié)合以往積累的經(jīng)驗進行設(shè)計，最后加工出若干試樣進行實驗驗證和設(shè)計調(diào)整。實踐證明，在氣瓶的前期設(shè)計階段，經(jīng)驗數(shù)據(jù)和有限元仿真起著不可或缺的重要作用，但其自身也存在著難以避免的精度誤差，因不能得到精確的應力應變等數(shù)據(jù)，后期往往需要多次的反復試驗進行修正，才能最終穩(wěn)定下來。因此在這一過程中投入的時間和成本也是可觀的。

發(fā)明內(nèi)容
為了縮短氣瓶的設(shè)計定型周期，降低開發(fā)成本，運用一種簡單實用、精確可靠的設(shè)計方法使容器達到疲勞壽命等要求，進而代替?zhèn)鹘y(tǒng)的依靠多次試驗的方法，是本發(fā)明的目的所在?！N復合材料壓力容器的設(shè)計方法，該復合材料壓力容器由金屬內(nèi)襯和復合材料層構(gòu)成，其中金屬內(nèi)襯為圓筒形，復合材料層為縱向與環(huán)向交替多層纏繞的全纏繞方式，其特征在于包括以下過程:
步驟1、對容器所用金屬和復合材料分別做拉伸試驗，得到拉伸試驗曲線及彈性模量、剪切模量、泊松比，以及屈服強度、抗拉強度數(shù)據(jù)；步驟2、根據(jù)上述數(shù)據(jù)運用有限元軟件進行仿真設(shè)計，得到壓力容器初步設(shè)計數(shù)據(jù):壁厚、直徑、鋪層厚度、自緊壓力；步驟3、按壓力容器初步設(shè)計數(shù)據(jù)制造壓力容器樣品；步驟4、對壓力容器樣品進行自緊檢測，其具體過程如下:步驟4-1、沿壓力容器樣品的軸向和中部的環(huán)向均勻粘貼若干應變片；步驟4-2、按壓力容器初步設(shè)計數(shù)據(jù)中的自緊壓力對壓力容器樣品進行內(nèi)部加壓并保壓；步驟4-3、保壓狀態(tài)下分別讀取環(huán)向與軸向的應變片數(shù)據(jù)；步驟4-4、查閱金屬拉伸曲線可得內(nèi)膽產(chǎn)生的環(huán)向塑性應變ε hs與軸向塑性應變
ε ；
ZS 9步驟4-5、完全泄壓，分別測得金屬環(huán)向產(chǎn)生的殘余應變ε hc與軸向殘余應變ε ；
ZC 9步驟4-6、計算此時金屬受外層復材壓縮而產(chǎn)生的環(huán)向彈性應變ε _h和軸向彈性應變 ε _ζ, ε -h = ε hs_ ε hc, ε -ζ = ε zs_ ε zc ;步驟4-7、將ε _h、ε _ζ分別代入廣義胡克定律公式，計算得到金屬所受環(huán)向壓應力S _h和軸向壓應力S _z，此時徑向應力δ」= 0，且對于圓筒狀壓力容器有:S_h> δ_ζ;步驟5、對壓力容器樣品進行疲勞檢測，其具體過程如下:步驟5-1、對壓力容器樣品內(nèi)部加壓，升至標準疲勞試驗壓力值δρ后保壓；步驟5-2、分別測得環(huán)向應變ε hp和軸向應變ε ζρ ；步驟5-3、金屬由壓縮狀態(tài)變?yōu)槔鞝顟B(tài)，分別計算金屬環(huán)向拉應變ehl與軸向拉應變 ε zl, ε hi = ε hp- ε hs, ε Zl = ε ζρ- ε ZS ；步驟5-4、將環(huán)向拉應變ε hl與軸向拉應變ε ζ1分別代入廣義胡克定律公式，計算得到金屬環(huán)向拉應力Shl和軸向拉應力δζ1，此時徑向應力δ」=-δρ，且對于圓筒狀壓力容器有:Shl > δζ1;步驟6、將環(huán)向拉應力Shl與永久疲勞應力Sy相比較，環(huán)向壓應力S_h與標準規(guī)定的壓應力范圍值{ δ J相比較，對照下列規(guī)則對壓力容器的初步設(shè)計數(shù)據(jù)作出合理調(diào)整；其具體操作如下:步驟6-1、當Shl≤Sy時如果δ _h < { δ J，則內(nèi)膽過厚、鋪層合理，減薄壁厚；如果δ _h e { δ J，則內(nèi)膽與鋪層設(shè)計合理，確定前期設(shè)計；如果δ _h > { δ J，則內(nèi)膽過薄、鋪層合理，增加壁厚；步驟6-2、當 δ hl > δ y 時如果S_h< { ，則自緊壓力過小，提高自緊壓力；如果δ _h e { δ J，且接近上限值，則內(nèi)膽合理、鋪層過薄，增加鋪層厚度；如果S_he {SJ，且遠離上限值，則自緊壓力偏小，增加自緊壓力；如果δ _h > { δ J，則內(nèi)膽過薄、鋪層過薄，增加兩者厚度；步驟7、步驟2至步驟6重復1-2次，使設(shè)計數(shù)據(jù)穩(wěn)定下來。本發(fā)明的實施是在有限元分析、制作試樣，以及爆破試驗以后進行的。所依據(jù)的原理有三點:1.與復合材料相比，金屬各向同性，其力學性能、材料屬性更加穩(wěn)定可靠，也很容易通過傳統(tǒng)的試驗方法測量得到。2.由復合材料壓力容器的結(jié)構(gòu)特征可知，外層復合材料和金屬內(nèi)膽在加載、卸載過程中的應變始終保持一致。特別地，在彈性變形范圍內(nèi)，金屬所受的應力與應變遵循廣義胡克定律；3.工程常用金屬材料一般具有確定的永久疲勞應力值，即當金屬所受應力不大于永久疲勞應力時，理論上其疲勞次數(shù)可達到無限次。因此，本發(fā)明的技術(shù)思路是對金屬的應變進行測量從而求得所受的應力，進而對原設(shè)計進行調(diào)整，使之處于永久疲勞應力之內(nèi)，從而達到相關(guān)標準要求的目的。本發(fā)明采用在容器外部直接測量不同壓力下應變值的方法，對前期設(shè)計進行及時的檢驗反饋和調(diào)整，具有實施簡單、結(jié)果可靠、成本低廉的特點，是理論與仿真設(shè)計的有力輔助手段。實踐表明，運用本發(fā)明技術(shù)使設(shè)計周期縮短近1/2，試驗費用節(jié)省約3/5。本發(fā)明技術(shù)可廣泛應用于金屬內(nèi)膽纖維全纏繞成型的壓力容器制造領(lǐng)域。


附圖1為本發(fā)明技術(shù)的實施示意附圖2為本發(fā)明步驟6中當Shl彡3丨時，設(shè)計及改進建議；附圖3為本發(fā)明步驟6中當δω> 6丨時，設(shè)計及改進建議；附圖1中標號名稱:1加壓軟管、2接頭、3氣瓶、4軸向應變片、5環(huán)向應變片、6堵頭。
具體實施例方式附圖1為本發(fā)明技術(shù)的實施示意圖；其中，應變片全部與應力應變儀相連接。氣瓶3與接頭2、堵頭6之間均由螺紋連接密封。實施例1:以工作壓力20MPa的圓筒型復合氣瓶設(shè)計為例。內(nèi)膽采用6061鋁合金，復合材料由東麗T700碳纖維與環(huán)氧樹脂以印膠模式全纏繞固化成型。其中鋁合金的永久疲勞應力Sy=97MPa，彈性模量E=70GPa，屈服強度σ e=310MPa，抗拉強度330MPa。鋁合金內(nèi)膽壁厚
5.1mm，直徑334mm。標準規(guī)定氣瓶自緊后所受壓應力60%Χ σ c ^ { δ J ^ 95%X σ。。得到氣瓶試驗樣品后，在氣瓶中注滿水，并通過接頭2和軟管I與加壓設(shè)備連接。此時沿氣瓶軸向直線方向粘貼6 8個應變片(保證采樣數(shù)據(jù)的精度)，沿瓶身中部環(huán)向粘貼8 10個應變片(環(huán)向數(shù)據(jù)相對重要)。完成后啟動加壓設(shè)備并升壓至預定的44.5MPa保壓，此時記錄應變片數(shù)據(jù)0.010965。2分鐘后完全卸除壓力并靜置20分鐘，使氣瓶充分收縮形變，記錄應變片數(shù)據(jù)0.00286。再次對氣瓶升壓至26MPa，記錄應變片數(shù)據(jù)0.00573，計算得到環(huán)向拉應力ohl = 128.3MPa，軸向略低，且δ _h = 57%Χ σ。。與圖3中數(shù)據(jù)對比，顯示自緊壓力略低，將試樣氣瓶再次升壓至45MPa并保壓2分鐘。完全泄壓后再次測量計算，得到σ hl =89.4MPa，軸向略低，且δ _h = 90.2%X σ。，與圖2對照顯示合理。遂移至疲勞實驗室進行疲勞試驗，加載頻率為6 7次/分鐘，循環(huán)壓力為2 26MPa。最終越過相關(guān)標準中15000次壽命要求，在31000 次仍未發(fā)生泄漏，遂停止實驗。自此，作為氣瓶設(shè)計重要組成部分的疲勞壽命設(shè)計基本結(jié)束。在此基礎(chǔ)上，進行其他試驗檢測并通過后，可使整體設(shè)計穩(wěn)定下來。
權(quán)利要求
1.一種復合材料壓力容器的設(shè)計方法，該復合材料壓力容器由金屬內(nèi)襯和復合材料層構(gòu)成，其中金屬內(nèi)襯為圓筒形，復合材料層為縱向與環(huán)向交替多層纏繞的全纏繞方式，其特征在于包括以下過程: 步驟1、對容器所用金屬和復合材料分別做拉伸試驗，得到拉伸試驗曲線及彈性模量、剪切模量、泊松比，以及屈服強度、抗拉強度數(shù)據(jù)； 步驟2、根據(jù)上述數(shù)據(jù)運用有限元軟件進行仿真設(shè)計，得到壓力容器初步設(shè)計數(shù)據(jù):壁厚、直徑、長度、鋪層、自緊壓力； 步驟3、按壓力容器初步設(shè)計數(shù)據(jù)制造壓力容器樣品； 步驟4、對壓力容器樣品進行自緊檢測，其具體過程如下: 步驟4-1、沿壓力容器樣品的軸向和中部的環(huán)向均勻粘貼若干應變片； 步驟4-2、按壓力容器初步設(shè)計數(shù)據(jù)中的自緊壓力對壓力容器樣品進行內(nèi)部加壓并保壓； 步驟4-3、保壓狀態(tài)下分別讀取環(huán)向與軸向的應變片數(shù)據(jù)； 步驟4-4、查閱金屬拉伸曲線可得內(nèi)膽產(chǎn)生的環(huán)向塑性應變ε hs與軸向塑性應變ε zs ； 步驟4-5、完全泄壓，分別測得金屬環(huán)向產(chǎn)生的殘余應變。與軸向殘余應變εζ。； 步驟4-6、計算此時金屬受外層復材壓縮而產(chǎn)生的環(huán)向彈性應變ε +和軸向彈性應變ε ， ε ,= ε, — ε , , ε =ε —ε:-ζ7 -h hs he7 -ζ zs zc， 步驟4-7、將e_h、ε_ζ分別代入廣義胡克定律公式，計算得到金屬所受環(huán)向壓應力S_h和軸向壓應力S _z，此時徑向應力3」=0，且對于圓筒狀壓力容器有:6_11>6_2; 步驟5、對壓力容器樣品進行疲勞檢測，其具體過程如下: 步驟5-1、對壓力容器樣品內(nèi)部加壓，升至標準疲勞試驗壓力值δρ后保壓； 步驟5-2、分別測得環(huán)向應變ε hp和軸向應變ε ζρ ； 步驟5-3、金屬由壓縮狀態(tài)變?yōu)槔鞝顟B(tài)，分別計算金屬環(huán)向拉應變ehl與軸向拉應變zl， hi hp hs7 ζ丄 zp zs步驟5-4、將環(huán)向拉應變ε hl與軸向拉應變ε ζ1分別代入廣義胡克定律公式，計算得到金屬環(huán)向拉應力Shl和軸向拉應力δζ1，此時徑向應力δ」=-δρ，且對于圓筒狀壓力容器有:shl>szl; 步驟6、將環(huán)向拉應力Shl與永久疲勞應力Sy相比較，環(huán)向壓應力S_h與標準規(guī)定的壓應力范圍值{ δ J相比較，對照下列規(guī)則對壓力容器的初步設(shè)計數(shù)據(jù)作出合理調(diào)整；其具體操作如下: 步驟6-1、當δ hl彡δ y時 如果則內(nèi)膽過厚、鋪層合理，減薄壁厚； 如果S_he { ，則內(nèi)膽與鋪層設(shè)計合理，確定前期設(shè)計； 如果S _h>{ δ J，則內(nèi)膽過薄、鋪層合理，增加壁厚； 步驟6-2、當Shl>Sy時 如果則自緊壓力過小，提高自緊壓力； 如果S_he { ，且接近上限值，則內(nèi)膽合理、鋪層過薄，增加鋪層厚度； 如果S_he {SJ，且遠離上限值，則自緊壓力偏小，增加自緊壓力； 如果S _h>{ δ J，則內(nèi) 膽過薄、鋪層過薄，增加兩者厚度；步驟7、步驟2至步驟6重復 1-2次，使設(shè)計數(shù)據(jù)穩(wěn)定下來。
全文摘要
一種復合材料壓力容器的設(shè)計方法，屬于壓力容器制造領(lǐng)域。其特征在于包括以下步驟對容器所用金屬和復合材料分別做拉伸試驗，得到拉伸試驗曲線及有關(guān)數(shù)據(jù)；根據(jù)上述數(shù)據(jù)運用有限元軟件進行仿真設(shè)計，得到壓力容器初步設(shè)計數(shù)據(jù)；按壓力容器初步設(shè)計數(shù)據(jù)制造壓力容器樣品；對壓力容器樣品分別進行自緊和疲勞試驗壓力下的應變檢測，并借助廣義胡克定律求得所受應力；將環(huán)向拉應力δhl與永久疲勞應力δy相比較，環(huán)向壓應力δ-h與標準規(guī)定的壓應力范圍值{δi}相比較，對照預定規(guī)則對壓力容器的初步設(shè)計數(shù)據(jù)作出合理調(diào)整；重復步驟2至步驟6，1-2次，使設(shè)計數(shù)據(jù)穩(wěn)定下來。本發(fā)明可以縮短氣瓶的設(shè)計定型周期，降低開發(fā)成本。
文檔編號F17C1/06GK103216725SQ20131012622
公開日2013年7月24日 申請日期2013年4月12日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月12日
發(fā)明者盧敏, 周來水, 詹從坤 申請人:南京航空航天大學