[发明专利]一种封头缠绕层厚度预测方法及验证方法

说明书

本发明公开一种封头缠绕层厚度预测方法及验证方法，涉及纤维缠绕复合材料压力容器设计与制造技术领域，先基于三次样条曲线建立含未知系数的初始厚度预测模型，再根据边界条件计算初始厚度预测模型中的未知系数，得到缠绕层厚度预测模型，后续基于该缠绕层厚度预测模型来进行预测，能够更加准确的预测封头的缠绕层厚度。在对该预测方法进行验证时，根据缠绕层厚度实际分布曲线和缠绕层厚度预测分布曲线的误差对预测方法进行验证，从而可以完成预测方法的验证过程。

技术领域

本发明涉及纤维缠绕复合材料压力容器设计与制造技术领域，特别是涉及一种纤维缠绕复合材料压力容器封头缠绕层厚度预测方法及验证方法。

背景技术

碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)凭借其高比模量、高比强度等优点，在航天航空、能源和汽车等领域应用广泛，利用碳纤维增强树脂基复合材料制备得到的纤维缠绕复合材料压力容器作为一种非常重要的能源储存装置，在固体火箭、飞行器、海洋船舶、汽车等领域有着广泛的应用，纤维缠绕复合材料压力容器使用纤维缠绕技术作为工艺成型技术，使得纤维缠绕复合材料压力容器满足了轻质化、高内压的要求，在结构上已经实现了大型化和低成本化。

现有的纤维缠绕复合材料压力容器封头缠绕层厚度预测方法包括单公式法、双公式法和三次样条函数法等，但这些方法都不能准确预测出封头缠绕层的厚度分布，其中，采用单公式法预测出的厚度分布中，极孔处的预测厚度为无穷大，明显与实际不符；采用双公式法预测出的厚度分布中，一倍带宽处的预测厚度明显与实际不符；采用三次样条函数预测出的厚度分布中，极孔附近的预测厚度为0，明显与实际不符。

基于此，亟需一种新型的纤维缠绕复合材料压力容器封头缠绕层厚度预测技术。

发明内容

本发明的目的是提供一种封头缠绕层厚度预测方法及验证方法，通过建立基于改进三次样条函数的缠绕层厚度预测模型，能够准确的预测封头的缠绕层厚度。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种封头缠绕层厚度预测方法，所述预测方法包括：

基于三次样条曲线建立含未知系数的初始厚度预测模型；所述初始厚度预测模型为：其中，t(r_i)为封头上第i个点对应的平行圆半径的缠绕层厚度；r_i为封头上第i个点对应的平行圆半径；m₁、m₂、m₃、m₄均为未知系数；

根据边界条件计算所述初始厚度预测模型中的未知系数，得到缠绕层厚度预测模型；所述边界条件包括：极孔处缠绕层厚度、两个纱宽处缠绕层厚度、两个纱宽处缠绕层曲率和两个纱宽内的纤维体积；

以待预测点对应的平行圆半径为输入，利用所述缠绕层厚度预测模型预测所述待预测点对应的缠绕层厚度；所述待预测点为封头上的一点。

在一些实施例中，所述根据边界条件计算所述初始厚度预测模型中的未知系数，得到缠绕层厚度预测模型具体包括：

利用所述初始厚度预测模型分别计算极孔处的第一缠绕层厚度、两个纱宽处的第二缠绕层厚度、两个纱宽处的第一缠绕层曲率和两个纱宽内的第一纤维体积；所述第一缠绕层厚度、所述第二缠绕层厚度、所述第一缠绕层曲率和所述第一纤维体积均采用所述未知系数表示；

令所述第一缠绕层厚度等于所述极孔处缠绕层厚度，构建以所述未知系数作为未知量的第一方程；令所述第二缠绕层厚度等于所述两个纱宽处缠绕层厚度，构建以所述未知系数作为未知量的第二方程；令所述第一缠绕层曲率等于所述两个纱宽处缠绕层曲率，构建以所述未知系数作为未知量的第三方程；令所述第一纤维体积等于所述两个纱宽内的纤维体积，构建以所述未知系数作为未知量的第四方程；