申请/专利权人：大连理工大学

申请日：2020-11-02

公开（公告）日：2024-04-12

公开（公告）号：CN112329301B

主分类号：G06F30/23

分类号：G06F30/23;G06F30/17;G06F119/02;G06F119/04;G06F119/14

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.12#授权;2021.02.26#实质审查的生效;2021.02.05#公开

摘要：一种适用于金属内衬复合材料气瓶的最优自紧压力确定方法，属于高压气瓶制造技术领域。首先，确定待分析气瓶的尺寸、铺层和材料属性，建立复合材料气瓶有限元模型，纤维缠绕层在直筒段采用等厚度建模，在封头段采用变厚度建模。其次，选取气瓶自紧条件，使用ANSYS有限元软件实现对气瓶自紧的模拟。再次，通过ANSYS有限元软件，计算如第二步所述的不同自紧条件下的极限强度和疲劳寿命。最后，根据自紧处理后的气瓶需要满足的条件，对比确定最优自紧压力。本发明考虑强度和疲劳寿命的前提下，提供气瓶自紧压力的计算方法；采用退化准则考虑各种失效模式对复合材料刚度的影响，可准确地计算气瓶的极限强度和疲劳寿命，进而选取最优自紧压力。

主权项：1.一种适用于金属内衬复合材料气瓶的最优自紧压力确定方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步，确定待分析气瓶的尺寸、铺层和材料属性，建立复合材料气瓶有限元模型，纤维缠绕层在直筒段采用等厚度建模，在封头段采用变厚度建模；其中，纤维缠绕层封头段处变厚度tf的计算公式如下： 式中：r为封头到中轴线的距离，r0为制造过程确定的极轴半径，R为直筒段的外径，tfα为赤道圆处等于筒身螺旋组的厚度；第二步，选取气瓶自紧条件气瓶自紧压力的选择范围为1.3～1.5倍的工作压力；在该范围内，可任意设定气瓶常温自紧压力ai，和低温自紧压力bj；在1.3倍-1.5倍工作压力之间等差选择n、m个自紧压力值，分别作为aii＝1,2,…n与bji＝1,2,…m,将选取的所有常温自紧压力ai与低温自紧压力bj进行排列组合,产生n×m组计算组合，用于下一步自紧模拟；第三步，使用ANSYS有限元软件实现对气瓶自紧的模拟；首先施加常温自紧力ai，内衬进入屈服阶段，然后逐渐卸载，卸载之后气瓶会有残余应力，在存有残余应力的气瓶上继续施加一个低温自紧压力bj，然后逐渐卸载，完成复合材料低温气瓶自紧处理过程；第四步，通过ANSYS有限元软件，计算如第二步不同自紧条件下的极限强度和疲劳寿命；1极限强度求解：极限强度求解采用复合材料结构渐进失效分析，渐进失效分析包括应力分析和失效分析；计算使用ANSYS线性静力求解器，其他求解控制选项均按照ANSYS默认选项设置；施加初始载荷P0进行失效分析，将内衬的封头段和直筒段作为判断范围；提取有限元计算结果中Mises等效应变，以材料的极限应变为判据，当内衬的Mises等效应变超过极限应变时，认为气瓶失效，获得极限强度；如果气瓶没有失效，进行应力分析；应用失效准则对单元进行检查，检查结构中是否有单元产生破坏；采用Tsai-Wu准则判断气瓶复合材料基体开裂，采用最大应力准则判断纤维断裂；当结构出现初始损伤后，需要对失效单元进行刚度折减；对于已判断失效的单元，采用Camanho刚度退化准则进行刚度折减；单一的组分材料失效时折减的宏观材料刚度表示为： 式中，wsws＝E1,E2,G12,G23,μ12为完好材料的刚度性能；分别为ws中第j项刚度性能的折减系数，其右上角标αα＝f，m表示发生失效的组分材料种类，f-纤维，m-基体；如果有单元发生破坏，对失效单元采取刚度折减后，在相同载荷下重新进行应力分析；如果没有单元发生破坏，增加1个载荷增量△P，重复极限强度求解过程直至气瓶整体失效；2气瓶铝合金内衬的疲劳寿命计算采用Manson-Coffin公式： 式中：εa为总应变幅；σ′f称为疲劳强度系数；ε′f称为疲劳延性系数；σm为平均应力；E为弹性模量；b为疲劳强度指数；c为疲劳延性指数，N为所计算的疲劳寿命；其中，εa，σ′f，ε′f，σm，为第四步有限元计算结果提取获得，E为已知的弹性模量，b与c是工程常数，b表示疲劳强度指数，c表示疲劳延性指数；第五步，确定最优自紧压力；经自紧处理后的气瓶应满足：1在零压力下，内衬的最大压应力在其材料屈服极限的60％～95％之间；2在工作压力下，内衬的最大拉应力应小于其材料屈服极限的60％；筛选满足上述设计准则的自紧条件，对比分析不同自紧条件下气瓶的极限强度和疲劳寿命，选择疲劳寿命和极限强度均表现优异的结果为综合最优自紧压力。

全文数据：

权利要求：

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