混雜纖維復(fù)合材料防爆罐構(gòu)型設(shè)計方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及防爆罐安全設(shè)計領(lǐng)域，具體地說是一種混雜纖維復(fù)合材料防爆罐構(gòu)型 設(shè)計方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 防爆罐一般應(yīng)用于火車站，地鐵，法院，博物館，體育館，會展中心，機場，海關(guān)，港 口，使館等防爆場所，主要是確保人員的安全，維護場所秩序。如今制造防爆罐運用的材料 為金屬或混凝土，沒有復(fù)合材料，更沒有混雜纖維復(fù)合材料?；祀s纖維復(fù)合材料防爆罐由于 其質(zhì)輕、價格便宜、便于移動，比傳統(tǒng)金屬防爆罐具有更廣泛的應(yīng)用空間。創(chuàng)造混雜纖維復(fù) 合材料防爆罐構(gòu)型，并對其進行優(yōu)化，以得到能量吸收情況最好的防爆罐，成為目前亟待解 決的一個問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 根據(jù)上述提出的為了獲得混雜纖維復(fù)合材料防爆罐最優(yōu)構(gòu)型，使能量得到最好的 吸收的問題，本發(fā)明提出的一種混雜纖維復(fù)合材料防爆罐構(gòu)型設(shè)計方法，本發(fā)明主要通過 建立防爆罐構(gòu)型，通過幾何構(gòu)型參數(shù)化對防爆罐性能確定，通過多島遺傳算法和下山法優(yōu) 化收斂，最終通過能量吸收率評判最優(yōu)得到防爆罐構(gòu)型。
[0004] 本發(fā)明采用的技術(shù)手段如下：
[0005] -種混雜纖維復(fù)合材料防爆罐構(gòu)型設(shè)計方法，其特征在于包括如下步驟：
[0006] Sl、建立符合預(yù)設(shè)條件的初始防爆罐構(gòu)型；
[0007] S2、防爆罐幾何構(gòu)型參數(shù)化；
[0008] S3、運用多島遺傳算法對防爆罐構(gòu)型進行優(yōu)化，以求得防爆罐構(gòu)型局部最優(yōu)解區(qū) 域；
[0009] S4、梯度算法尋求防爆罐構(gòu)型全局最優(yōu)解；
[0010] S5、以能量吸收率評判最優(yōu)防爆罐構(gòu)型。
[0011] 進一步地，步驟Sl中，初始防爆罐構(gòu)型為圓筒形容器，包括設(shè)定母線長度、直徑、 兩端開孔直徑、復(fù)合材料中纖維體積含量、固化度、直筒段每層纖維厚度、限制直筒段質(zhì)量、 彈性模量和設(shè)定復(fù)合材料纖維混雜比；其中，直筒段鋪層順序為：[(17. 5/90/90/-17. 5/90 /90)36(17. 5/90/-17. 5/90) 28];封頭段鋪層順序為：[(17. 826/-17. 826) 64];
[0012] 通過TNT爆炸時的入射超壓、反射超壓與動力系數(shù)，采用等效靜載荷法，分析得出 爆炸時對防爆罐的沖擊載荷；
[0013] 利用網(wǎng)格理論，結(jié)合防爆罐直筒段和封頭段，計算出纖維所受應(yīng)力，得到直筒纏繞 纖維厚度和封頭纏繞纖維厚度，從而確定防爆罐性能。
[0014] 進一步地，入射超壓采用J. Henrych公式進行計算，方法如下：
[0015]
[0016] 其中，Λ Pf為入射超壓，W為炸藥TNT當(dāng)量，R為容器殼體半徑；
[0017] 反射超壓的計算公式與入射角度有關(guān)，方法如下：
[0026] 其中，屮1為入射角度，AP2為反射超壓，P。為大氣壓強，φ?￡為空氣中斜反射和馬 赫反射入射角界限：
[0027] 運用動力系數(shù)法，將反射超壓動載荷轉(zhuǎn)化為等效靜載荷，計算動力系數(shù)Cd，
[0029] 式中：τ i為反射超壓作用的時間；η為經(jīng)驗系數(shù)，柱對稱時取〇. 5,球?qū)ΨQ時取1 ; R為容器殼體半徑，m ;Q。為單位質(zhì)量爆熱，J/Kg ;對TNT來說，Q。= 4860874. 8J/kg ;
[0030] 對于薄殼，若僅考慮擴展運動，則其自振周期為：
[0032] 式中：T為容器自振周期；E為楊氏模量；P為殼體材料密度，Kg/cm3;
[0037] 則等效靜載荷：
[0038] P Ε = Δ P 2 · Cd〇
[0039] 進一步地，防爆罐直筒段的網(wǎng)格理論，計算方法如下：
[0040] 螺旋向加環(huán)向纖維纏繞圓筒在網(wǎng)格分析下的軸向內(nèi)力和環(huán)向內(nèi)力分別為
[0042] 式中：[0。]和[0 e]分別為螺旋向和環(huán)向纖維許用應(yīng)力，安全系數(shù)取2, [0。]= 〇. 5 σ。，[ σ e] = 〇. 5 σ。出α和h e分別為螺旋向和環(huán)向纖維厚度；α為螺旋向纏繞角；
[0043] 在內(nèi)壓作用下，直筒段軸向內(nèi)力和環(huán)向內(nèi)力分別為：
[0045] 式中：ρ為內(nèi)壓強；R為容器殼體半徑；
[0046] 纖維纏繞圓筒在網(wǎng)格分析下處于平衡時，有Ta = N α、Te = N e，由此得螺旋向加環(huán) 向纖維纏繞圓筒在網(wǎng)格分析下的平衡方程：
[0048] 若[。fb]為纏繞纖維的許用應(yīng)力，PeS防爆罐所承受的等效靜載荷，則圓筒的螺 旋向和環(huán)向纖維厚度分別為
[0050] 式中：a為螺旋向纏繞角；hfa為螺旋纏繞纖維厚度，h fe為環(huán)向纏繞纖維厚度；
[0051] 復(fù)合材料纏繞層的壁厚為：
[0053] 直筒纏繞纖維厚度為：
[0054] h = (hfa+hf 〇)；
[0055] 式中：Vf為在復(fù)合材料纏繞層中纖維所占體積；Vni為在復(fù)合材料纏繞層中基體所 占體積；h fa為螺旋向纖維纏繞厚度；hfe為環(huán)向纖維纏繞厚度。
[0056] 進一步地，防爆罐封頭段的網(wǎng)格理論，計算方法如下：
[0057] 根據(jù)防爆罐3個基本特征，
[0058] (1)螺旋纏繞每一循環(huán)是兩層，通過封頭上任一點纖維纏繞角土 a成對分布經(jīng)線 對稱位置上，形成螺旋型網(wǎng)絡(luò)；
[0059] (2)纏繞角是平行圓半徑的函數(shù)，即a = a (r)，在赤道上的纏繞角等于筒身段螺 旋纏繞角a。，在極孔處為90° ;
[0060] (3)由于纖維連續(xù)纏繞，通過各平行圓的纖維總量均相等，且等于通過筒身圓周線 的螺旋纏繞纖維總量；
[0061] 得出封頭段的3個基本方程：
[0063] 其中，α為纖維纏繞角，α。為封頭赤道處纖維纏繞角，r = r(z)為經(jīng)線方程，〇 f 為封頭上任一平行圓纖維應(yīng)力，tf為封頭上任一平行圓纖維厚度，t fa為封頭赤道處纖維厚 度，P為封頭靜壓力；
[0064] 使變量無量綱化，引入：
[0066] 設(shè)定封頭上纖維應(yīng)力狀態(tài)處處相同，構(gòu)成均衡型等應(yīng)力封頭，補充方程為：
[0067] W = 1;
[0068] 施加無量綱下的邊界條件：
[0072] 經(jīng)整理得封頭纏繞角方程，即回轉(zhuǎn)曲面的測地線方程，
[0073] sin a = p 0/ p ;
[0074] 或者
[0075] sin a = r〇/r ；
[0076] 從工藝角度分析，按測地線纏繞，封頭上兩點距離最短，纖維最穩(wěn)定，因此在赤道 (r = R)上，
[0077] sin a 0= r 〇/R ；
[0078] 由以上筒身纏繞角公式，得出封頭上的纖維應(yīng)力，
[0080] 從而得出封頭經(jīng)線方程，
[0084] 分別為勒讓德第一類橢圓積分和第二類橢圓積分，且
[0087] 應(yīng)用上述經(jīng)線方程確定等應(yīng)力封頭曲面形狀，當(dāng)P。= 0時，為封頭無極孔的特殊 情形的ξ值，此時α =〇,即經(jīng)線纏繞，對于等應(yīng)力封頭纏繞纖維厚度有
[0089] 封頭曲率半徑為
[0091] 進一步地，步驟S2中，將上述的防爆罐參數(shù)進行優(yōu)化，通過直筒段及封頭段單層 纖維纏繞厚度設(shè)定可優(yōu)化的參數(shù)，將靠近直筒段的封頭段厚度梯度的部分設(shè)定為等值的參 數(shù)簡化運算，封頭段螺旋向纏繞纖維和極孔處采用厚度近似處理。
[0092] 進一步地，步驟5中，通過引入纖維吸能效率η，評判最優(yōu)構(gòu)型：
[0093] n = y/Y ；
[0094] y為該種配比下防爆罐吸收的應(yīng)變能，Y為該種配比下防爆罐可以吸收的最大應(yīng) 變能：
[0095] 其中，
[0098] q是單位體積纖維能吸收應(yīng)變能，P是單元密度，Vf3是單元體積，s v是單元纖維應(yīng) 力，S是計算最大纖維應(yīng)力。
[0099] 本發(fā)明具有以下優(yōu)點：
[0100] 本發(fā)明通過建立初步防爆罐構(gòu)型，并應(yīng)用等效靜載荷法和網(wǎng)格理論，確定防爆罐 構(gòu)型力學(xué)參數(shù)；再運用多島遺傳算法和下山法尋求最優(yōu)解，最后應(yīng)用能量吸收率評判最優(yōu) 構(gòu)型。較現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明通過對防爆罐的構(gòu)型進行優(yōu)化，提出最佳構(gòu)型，改進了傳統(tǒng) 金屬防爆罐質(zhì)量大、吸收能量能力差的缺點，并通過鋪層厚度改進了混雜纖維復(fù)合