[发明专利]一种耐外压碳纤维复合材料筒体结构设计方法

说明书

本发明涉及复合材料筒体设计领域，特别涉及一种耐外压碳纤维复合材料筒体结构设计方法。其包括以下步骤：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；b、确定所述碳纤维复合材料的缠绕角度；c、计算所述所设计筒体的所述铺层的等效性能参数；d、计算所述所设计筒体的外压临界压力；e、判断计算获得的所述外压临界压力是否大于工作压力；f、计算所述所设计筒体的内部应力参数；g、判断所述所设计筒体的所述内部应力参数是否小于材料强度参数。本发明的目的在于提供一种耐外压碳纤维复合材料筒体结构设计方法，以解决现有的耐外压碳纤维复合材料筒体结构设计方法计算成本大、设计不准确的问题。

技术领域

本发明涉及复合材料筒体设计领域，特别涉及一种耐外压碳纤维复合材料筒体结构设计方法。

背景技术

具有轻质高强、可设计性、耐腐蚀等特点的碳纤维复合材料应用于深海滑翔机外压筒体时，与金属材料外压筒体相比可提供更多的有效载荷延长深海滑翔机的服役周期。对于静水压力作用下的外压筒体现已有多种设计方法，如GB150，潜艇设计规范，ASME-X等均提供了相应的理论设计方法，但均只适用于径厚比大于20的薄壁容器，随着下潜深度的增加为保证结构的可靠服役需要相应地增加壁厚导致原设计方案不再适用。虽然基于经典层合理论的有限元方法可用于深海滑翔机碳纤维复合材料外压筒体的设计，但在铺层设计时通常无法考虑铺层顺序对筒体结构承载能力的影响，需要通过多次计算迭代比较筒体结构的承载安全裕度以确定近似最优方案，既无法充分发挥复合材料的承载潜力又耗费了大量的计算成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种耐外压碳纤维复合材料筒体结构设计方法，以解决现有的耐外压碳纤维复合材料筒体结构设计方法计算成本大、设计不准确的问题。

本发明的目的是由下述技术方案实现的：

一种耐外压碳纤维复合材料筒体结构设计方法，其包括以下步骤：

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；

b、确定所述碳纤维复合材料的缠绕角度；

c、计算所述所设计筒体的所述铺层的等效性能参数；

d、计算所述所设计筒体的外压临界压力；

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；

g、判断所述所设计筒体的所述内部应力参数是否小于材料强度参数，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。

进一步的，步骤a中，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。

进一步的，步骤a中，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。

进一步的，步骤b中，所述缠绕角度通过如下方式确定：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°。

进一步的，步骤c中，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。

进一步的，步骤c中，根据下列公式计算所述等效性能参数：