[发明专利]一种基于纤维缠绕工艺的高压储氢容器的设计方法

权利要求书

1.一种基于纤维缠绕工艺的高压储氢容器的设计方法，其特征在于：所述的设计方法具体包括如下步骤：

步骤1：确定高压储氢容器的基本参数：高压储氢容器承受的工作压力P_w、高压储氢容器承受的极限压力P_m、高压储氢容器的容积V、高压储氢容器的筒身长L、高压储氢容器的内半径R、纤维复合层螺旋缠绕的缠绕角α；

步骤2：获取纤维复合层及内衬层的材料性能参数：纤维复合材料的抗拉强度σ_d、纤维复合材料的抗拉模量E_F、内衬材料的弯曲屈服强度σ_ip、内衬材料的弹性模量E₀、内衬材料的泊松比μ；

步骤3：计算纤维复合层的缠绕厚度值和内衬层的内衬厚度值；

(1)根据步骤1中高压储氢容器的基本参数和步骤2中纤维复合层及内衬层的材料性能参数确定设计准则和设计参数λ；其中，λ为Ⅲ型高压储氢容器的纤维强度利用系数；

(2)根据高压储氢容器在极限压力下的平衡公式和Ⅲ型高压储氢容器的承压特点，列如下平衡方程式：

a、轴向和环向内力平衡方程式为：

b、极限压力下平衡受力平衡方程式为

σ_dt_αsin2α+σ_dt_θ＝λRP_m；

c、预应力下在极限压力的受力平衡方程式为：

σ_dt_αsin2α+σ_dt_θ+σ_ipt_i＝RP_m；

以上各方程式中参数的含义如下所示：

d-高压储氢容器的内直径；

R-高压储氢容器的内半径；

P-高压储氢容器承受的任意压力(PPm)；

P_m-高压储氢容器承受的极限压力；

N_l-薄膜的轴向内力；

N_θ-薄膜的环向内力；

σ_d-纤维复合材料的设计强度；

σ_ip-内衬材料的弹性极限；

t_α-纤维复合层的螺旋缠绕纤维厚度；

t_θ-纤维复合层的环向缠绕纤维厚度；

t_i-内衬层的内衬厚度；

α-纤维复合层螺旋缠绕的缠绕角；

λ-Ⅲ型高压储氢容器的纤维强度利用系数；

t-t＝tα+t_θ+t_i；

r_i-高压储氢容器的任意半径(R＜r_i＜R+t)；

(3)根据轴向和环向内力平衡的平衡方程式、极限压力下平衡受力平衡的平衡方程式、预应力下在极限压力的受力平衡方程式求解得到：纤维复合层的螺旋缠绕纤维厚度t_α、纤维复合层的环向缠绕纤维厚度t_θ、内衬层的内衬厚度t_i；

(4)求解纤维复合层的纤维预应力值σ_p：根据变形协调条件ε_θ＝ε_iθ，其中，ε_θ是纤维的环向应变，ε_iθ是内衬的环向应变；联立步骤3中(2)和(3)的公式，求得纤维复合层的纤维预应力值σ_p；

以上各方程式中参数的含义如下所示：

E₀-内衬材料的弹性模量；

E_G-纤维复合材料的弹性模量；

μ-内衬材料的泊松比；

σ_ip-内衬材料的弹性极限；

σ_iθ-内衬材料的环向应力；

P_w-高压储氢容器承受的工作压力；

K-与材料中纤维和树脂比重相关的量；

步骤4：利用步骤2中纤维复合层及内衬层的材料性能参数，验证步骤3中计算结果：t_α、t_θ、t_i、σ_p的准确性；

(1)高压储氢容器筒身段的应变矩阵为：

{ε}＝[S_ij]{σ₁}；

其中，{ε}为高压储氢容器筒身段的应变矩阵，[S_ij]为复合材料的柔度矩阵，{σ₁}为复合材料的应力矩阵；

(2)根据高压储氢容器筒身段的应变矩阵和步骤2中纤维复合层及内衬层的材料性能参数，计算高压储氢容器筒身段的整体刚度矩阵；

应力应变的转换矩阵

其中那么转换坐标系后的应变矩阵为：

，α为纤维复合层螺旋缠绕的缠绕角；

{ε_x}＝[T_ε]^-1[S_ij][T_σ]{σ_x}；其中，T_σ为应力转换矩阵；

求出柔度矩阵：

得到整体刚度矩阵：

考虑三项应力状态，应力与应变的关系：

(3)计算应力分布；

a、列出平衡方程、几何方程和物理方程:

{ε_r}＝[S_ij]{σ_r}；

b、列出关于应力的常微分方程

其中：

c、根据上述应力的常微分方程的通解并利用边界条件：

σ_r|_r＝b＝-P₀,σ_r|_r＝d＝0，求解待定系数，最终得到纤维复合层的环向应力和纤维复合层的径向应力关于半径r的计算公式：

其中：

G3＝ζk2；

同理，内衬层在高压储氢容器筒身段的环向应力和径向应力关于r的计算公式为：

σ_ir＝[P_w(R²d²-R²b²)+P₀(R²b²-b²r²)]·[r²(R²-b²)]^-1；

σ_iθ＝[P_w(R²r²-R²b²)+P₀(R²b²-b²r²)]·[r²(R²-b²)]^-1；

以上各方程式中参数的含义如下所示：

P_w-高压储氢容器承受的工作压力；

P₀-外套对内衬的约束压力；

w-纤维复合材料的轴向位移;

z-高压储氢容器筒身段的轴线方向；

R-高压储氢容器的内半径；

a-高压储氢容器金属内衬层的内半径;

b-高压储氢容器金属内衬层的外半径；

r-高压储氢容器容器的任意半径(ard)；

σ_θ-纤维复合层的环向应力；

σ_r-纤维复合层的径向应力；

σ_ir-内衬层的环向应力；

σ_iθ-内衬层的径向应力；

ζ、β- A0-F0的控制变量；

σ_x-纤维复合层的径向应力；

σ_z-纤维复合层的轴向应力；

(4)根据Tsai-Wu强度准则判断高压储氢容器筒身段是否失效：若根据Tsai-Wu强度准则判断为不失效，则步骤3的(1)中确定的设计参数λ准确,求解得到的纤维复合层的螺旋缠绕纤维厚度t_α、纤维复合层的环向缠绕纤维厚度t_θ、内衬层的内衬厚度t_i、纤维复合层的纤维预应力值σ_p数值准确；若根据Tsai-Wu强度准则判断为失效，则重新修正确定设计参数λ，重复步骤3和步骤4直至根据Tsai-Wu强度准则判断为不失效；

Tsai-Wu强度准则：

F_iσ_i+F_ijσ_iσ_j≤1，(i，j＝1，2，3)；

根据实验可以确定各项强度系数，其中：

当满足F_iσ_i+F_ijσ_iσ_j＞1时，就判断为失效；

以上各方程式中参数的含义如下所示：

X_t-纤维复合材料在X方向上的抗拉强度；

X_c-纤维复合材料在X方向上的抗压强度；

Y_t-纤维复合材料在Y方向上的抗拉强度；

Y_c-纤维复合材料在Y方向上的抗压强度。