[发明专利]一种非等极孔纤维缠绕压力容器的设计方法

权利要求书

1.一种非等极孔纤维缠绕压力容器的设计方法，其特征在于：所述纤维缠绕压力容器采用正交各向异性材料碳纤维缠绕成型，使得封头部位呈现为变刚度结构；压力容器封头部位缠绕角由赤道处到极孔处为变角度缠绕，使得封头各处厚度不同；压力容器的结构为非等极孔结构，使得容器前、后封头厚度及角度不相同；

设计所述纤维缠绕压力容器的设计方法包括一下步骤：

S10：通过复合材料性能测试方法，获取压力容器中复合材料的材料物理性能和复合材料层单层厚度；

S20：在两端封头形状确定的前提下，通过非测地线缠绕公式计算出能实现稳定缠绕的筒身段缠绕角度；

S30：通过网格理论计算公式，计算出复合材料缠绕层中环向缠绕层以及螺旋缠绕层厚度；

S40：通过薄膜理论以及层合板理论校核压力容器封头段的强度。

2.根据权利要求1所述的一种非等极孔纤维缠绕压力容器的设计方法，其特征在于，所述步骤S10中，力容器中复合材料的材料物理性能包括包括纤维向模量E₁、垂直纤维向模量E₂、剪切模量G₁₂、泊松比ν以及复合材料纤维方向拉伸强度σ_b，复合材料层单层厚度包括单层环向纤维缠绕层厚度T_α和单层螺旋缠绕层厚度T_β。

3.根据权利要求1所述的一种非等极孔纤维缠绕压力容器的设计方法，其特征在于，所述步骤S20中，非测地线缠绕角度计算方法为：

其中，α为缠绕角，z为设置的坐标系中沿压力容器轴线方向的z轴坐标值，r为沿压力容器轴线方向各截面的平行圆半径，r'为r的一阶导数，λ为滑移系数。

4.根据权利要求2所述的一种非等极孔纤维缠绕压力容器的设计方法，其特征在于，所述步骤S30中，通过网格理论求解出复合材料缠绕层中环向缠绕层总厚度T_α以及螺旋缠绕总厚度T_β的求解公式如下：

其中：R为筒身段半径值，P_b为设计爆破压强值，σ_b为复合材料层的拉伸强度值，α为筒身段缠绕角度值。

5.根据权利要求1所述的一种非等极孔纤维缠绕压力容器的设计方法，其特征在于，所述步骤S40中，通过薄膜理论以及层合板理论对封头段进行强度校核的步骤如下：

(a)计算主应力分布：

其中：为轴向主应力，N_θ为周向主应力，P为内压值，r为为沿压力容器轴线方向各截面的平行圆半径，r'为平行圆半径r的一阶导数，r”为平行圆半径r的二阶导数，r₀为极孔半径；

(b)计算总刚度矩阵A_ij：

t(r)＝m₁×r⁰+m₂×r¹+m₃×r²+m₄×r³ (5)

其中：m₁、m₂、m₃、m₄为三次样条的系数；

偏轴模量矩阵中各元素计算方法如下：

其中：θ为对应缠绕层偏轴与主轴的夹角，Q_ij为刚度矩阵；

且刚度矩阵Q中元素计算方法如下：

其中：E₁为纤维向模量，E₂为垂直纤维向模量，v₂₁、v₁₂分别为沿压力容器轴线两个方向上的泊松比，G₁₂为剪切模量；

(c)计算总应变；

(d)计算偏轴应变及应力；

其中：ε₁为纤维方向应变值，ε₂为垂直纤维方向应变值；且

其中：σ₁为纤维方向应力，σ₂为垂直纤维方向应力；

(e)将计算得到封头段纤维方向应力分布，与对应的许用强度进行比较，若在许用范围内则满足设计要求，反之则需增加螺旋层层数。