[发明专利]一种耐外压碳纤维复合材料筒体结构设计方法

权利要求书

1.一种耐外压碳纤维复合材料筒体结构设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、确定所设计筒体的结构尺寸参数，确定所述所设计筒体的铺层拟选用碳纤维复合材料的材料性能参数；所述结构尺寸参数包括：筒体长度、筒体内径、筒体外径、筒体厚度、最大允许重量；所述材料性能参数包括：纤维方向弹性模量、纤维横向弹性模量、面内泊松比、副泊松比、面内剪切模量、纤维方向拉伸强度、纤维方向压缩强度、纤维横向拉伸强度、纤维横向压缩强度、面内剪切强度、单层厚度；

b、确定所述碳纤维复合材料的缠绕角度，所述所设计筒体的外侧和内侧的所述铺层的所述缠绕角度为60°～89°，中间的所述铺层的所述缠绕角度为30°～50°；

c、计算所述所设计筒体的所述铺层的等效性能参数，所述等效性能参数包括：环向模量、轴向模量，泊松比、环向弯曲模量、轴向弯曲模量，根据下列公式计算所述等效性能参数：

Q₆₆＝G₁₂

其中：ν₁₂表示面内泊松比；ν₂₁表示副泊松比；E₁表示纤维方向弹性模量；E₂表示纤维横向弹性模量；G₁₂表示面内剪切模量；θ表示缠绕角度；N表示总的铺层数；k表示当前铺层序号；z表示当前铺层的厚度坐标；i，j表示自然数，分别取1，2，6；t表示筒体厚度；E_h表示环向模量；E_a表示轴向模量；ν_ah表示泊松比；E_hf表示环向弯曲模量；E_af表示轴向弯曲模量；

d、计算所述所设计筒体的外压临界压力，根据下列公式计算所述外压临界压力：

C₂₁＝C₁₂

C₃₁＝C₁₃

C₃₂＝C₂₃

其中：P_cr表示外压临界压力；m表示所述所设计筒体的轴向失稳时的半波数，取1；n表示所述所设计筒体环向失稳时的半波数，取3；R表示所述所设计筒体的外半径；F表示设计的安全系数；L表示筒体长度；

e、判断计算获得的所述外压临界压力是否大于工作压力，若大于则进行下一步，若不大于则返回步骤b重新调整所述碳纤维复合材料的所述缠绕角度，进行新一轮的结构设计；

f、计算所述所设计筒体的内部应力参数，所述内部应力参数包括：径向应力，环向应力和轴向应力；

g、判断环向应力是否小于纤维方向压缩应力；或，判断轴向应力是否小于纤维横向方向的压缩强度，若小于则输出设计方案，若不小于则返回步骤b重新调整所述碳纤维复合材料的所述缠绕角度，进行新一轮的结构设计。