CN103216725B - 一种复合材料压力容器的设计方法 - Google Patents

Abstract

一种复合材料压力容器的设计方法，属于压力容器制造领域。其特征在于包括以下步骤：对容器所用金属和复合材料分别做拉伸试验，得到拉伸试验曲线及有关数据；根据上述数据运用有限元软件进行仿真设计，得到压力容器初步设计数据；按压力容器初步设计数据制造压力容器样品；对压力容器样品分别进行自紧和疲劳试验压力下的应变检测，并借助广义胡克定律求得所受应力；将环向拉应力δ_hl与永久疲劳应力δ_y相比较，环向压应力δ_-h与标准规定的压应力范围值{δ_i}相比较，对照预定规则对压力容器的初步设计数据作出合理调整；重复步骤2至步骤6，1-2次，使设计数据稳定下来。本发明可以缩短气瓶的设计定型周期，降低开发成本。

Description

一种复合材料压力容器的设计方法

技术领域

本发明涉及压力容器的设计方法，特别是涉及一种复合材料压力容器的设计方法。

背景技术

复合材料压力容器具有轻质高强、容重比高的特点。同时，相比金属容器，具有未爆先漏的安全性优势。在现代清洁能源运用、航空航天等领域具有广阔的应用前景。在容器的设计阶段，疲劳寿命能否达到相关标准要求是检验设计方案的重要指标之一。企业一般遵照标准要求对容器进行有限元建模和仿真分析，并结合以往积累的经验进行设计，最后加工出若干试样进行实验验证和设计调整。实践证明，在气瓶的前期设计阶段，经验数据和有限元仿真起着不可或缺的重要作用，但其自身也存在着难以避免的精度误差，后期往往需要多次的反复试验进行修正，才能最终稳定下来。因此在这一过程中投入的时间和成本也是可观的。

发明内容

为了缩短气瓶的设计定型周期，降低开发成本，运用一种简单实用、可靠的设计方法使容器达到疲劳寿命等要求，进而代替传统的依靠多次试验的方法，是本发明的目的所在。

一种复合材料压力容器的设计方法，该复合材料压力容器由金属内衬和复合材料层构成，其中金属内衬为圆筒形，复合材料层为纵向与环向交替多层缠绕的全缠绕方式，其特征在于包括以下过程：

步骤1、对容器所用金属和复合材料分别做拉伸试验，得到拉伸试验曲线及弹性模量、剪切模量、泊松比，以及屈服强度、抗拉强度数据；

步骤2、根据上述数据运用有限元软件进行仿真设计，得到压力容器初步设计数据：壁厚、直径、铺层厚度、自紧压力；

步骤3、按压力容器初步设计数据制造压力容器样品；

步骤4、对压力容器样品进行自紧检测，其具体过程如下：

步骤4-1、沿压力容器样品的轴向和中部的环向均匀粘贴若干应变片；

步骤4-2、按压力容器初步设计数据中的自紧压力对压力容器样品进行内部加压并保压；

步骤4-3、保压状态下分别读取环向与轴向的应变片数据；

步骤4-4、查阅金属拉伸曲线可得金属内衬产生的环向塑性应变ε_hs与轴向塑性应变ε_zs；

步骤4-5、完全泄压，分别测得金属环向产生的残余应变ε_hc与轴向残余应变ε_zc；

步骤4-6、计算此时金属受外层复材压缩而产生的环向弹性应变ε_-h和轴向弹性应变ε_-z，ε_-h＝ε_hs-ε_hc，ε_-z＝ε_zs-ε_zc；

步骤4-7、将ε_-h、ε_-z分别代入广义胡克定律公式，计算得到金属所受环向压应力δ_-h和轴向压应力δ_-z，此时径向应力δ_j＝0，且对于圆筒状压力容器有：δ_-h＞δ_-z；

步骤5、对压力容器样品进行疲劳检测，其具体过程如下：

步骤5-1、对压力容器样品内部加压，升至标准疲劳试验压力值δ_p后保压；

步骤5-2、分别测得环向应变ε_hp和轴向应变ε_zp；

步骤5-3、金属由压缩状态变为拉伸状态，分别计算金属环向拉应变ε_hl与轴向拉应变ε_zl,ε_hl＝ε_hp-ε_hs，ε_zl＝ε_zp-ε_zs；

步骤5-4、将环向拉应变ε_hl与轴向拉应变ε_zl分别代入广义胡克定律公式，计算得到金属环向拉应力δ_hl和轴向拉应力δ_zl，此时径向应力δ_j＝-δ_p，且对于圆筒状压力容器有：δ_hl＞δ_zl；

步骤6、将环向拉应力δ_hl与永久疲劳应力δ_y相比较，环向压应力δ_-h与标准规定的压应力范围值{δ_i}相比较，对照下列规则对压力容器的初步设计数据作出合理调整；其具体操作如下：

步骤6-1、当δ_hl≤δ_y时

如果δ_-h＜{δ_i}，则金属内衬过厚、铺层合理,减薄壁厚；

如果δ_-h∈{δ_i}，则金属内衬与铺层设计合理，确定前期设计；

如果δ_-h＞{δ_i}，则金属内衬过薄、铺层合理，增加壁厚；

步骤6-2、当δ_hl＞δ_y时

如果δ_-h＜{δ_i}，则自紧压力过小,提高自紧压力；

如果δ_-h∈{δ_i}，且接近上限值，则金属内衬合理、铺层过薄，增加铺层厚度；

如果δ_-h∈{δ_i}，且远离上限值，则自紧压力偏小，增加自紧压力；

如果δ_-h＞{δ_i}，则金属内衬过薄、铺层过薄，增加两者厚度；

步骤7、步骤2至步骤6重复1-2次，使设计数据稳定下来。

本发明的实施是在有限元分析、制作试样，以及爆破试验以后进行的。所依据的原理有三点：1.与复合材料相比，金属各向同性，其力学性能、材料属性更加稳定可靠，也很容易通过传统的试验方法测量得到。2.由复合材料压力容器的结构特征可知，外层复合材料和金属内衬在加载、卸载过程中的应变始终保持一致。特别地，在弹性变形范围内，金属所受的应力与应变遵循广义胡克定律；3.工程常用金属材料一般具有确定的永久疲劳应力值，即当金属所受应力不大于永久疲劳应力时，理论上其疲劳次数可达到无限次。因此，本发明的技术思路是对金属的应变进行测量从而求得所受的应力，进而对原设计进行调整，使之处于永久疲劳应力之内，从而达到相关标准要求的目的。

本发明采用在容器外部直接测量不同压力下应变值的方法，对前期设计进行及时的检验反馈和调整，具有实施简单、结果可靠、成本低廉的特点，是理论与仿真设计的有力辅助手段。实践表明，运用本发明技术使设计周期缩短近1/2，试验费用节省约3/5。本发明技术可广泛应用于金属内衬纤维全缠绕成型的压力容器制造领域。

附图说明

附图1为本发明技术的实施示意图；

附图2为本发明步骤6中当δ_hl≤δ_y时，设计及改进建议；

附图3为本发明步骤6中当δ_hl＞δ_y时，设计及改进建议；

附图1中标号名称：1加压软管、2接头、3气瓶、4轴向应变片、5环向应变片、6堵头。

具体实施方式

附图1为本发明技术的实施示意图；其中，应变片全部与应力应变仪相连接。气瓶3与接头2、堵头6之间均由螺纹连接密封。

实施例1：

以工作压力20MPa的圆筒型复合气瓶设计为例。金属内衬采用6061铝合金，复合材料由东丽T700碳纤维与环氧树脂以印胶模式全缠绕固化成型。其中铝合金的永久疲劳应力δ_y＝97MPa，弹性模量E＝70GPa，屈服强度σ_c＝310MPa，抗拉强度330MPa。铝合金内衬壁厚5.1mm，直径334mm。标准规定气瓶自紧后所受压应力60％×σ_c≤{δ_i}≤95％×σ_c。得到气瓶试验样品后，在气瓶中注满水，并通过接头2和软管1与加压设备连接。此时沿气瓶轴向直线方向粘贴6～8个应变片(保证采样数据的精度)，沿瓶身中部环向粘贴8～10个应变片(环向数据相对重要)。完成后启动加压设备并升压至预定的44.5MPa保压，此时记录应变片数据0.010965。2分钟后完全卸除压力并静置20分钟，使气瓶充分收缩形变，记录应变片数据0.00286。再次对气瓶升压至26MPa，记录应变片数据0.00573，计算得到环向拉应力σ_hl＝128.3MPa，轴向略低，且δ_-h＝57％×σ_c。与图3中数据对比，显示自紧压力略低，将试样气瓶再次升压至45MPa并保压2分钟。完全泄压后再次测量计算，得到σ_hl＝89.4MPa，轴向略低，且δ_-h＝90.2％×σ_c，与图2对照显示合理。遂移至疲劳实验室进行疲劳试验，加载频率为6～7次/分钟，循环压力为2～26MPa。最终越过相关标准中15000次寿命要求，在31000次仍未发生泄漏，遂停止实验。自此，作为气瓶设计重要组成部分的疲劳寿命设计基本结束。在此基础上，进行其他试验检测并通过后，可使整体设计稳定下来。

Claims (1)

1.一种复合材料压力容器的设计方法，该复合材料压力容器由金属内衬和复合材料层构成，其中金属内衬为圆筒形，复合材料层为纵向与环向交替多层缠绕的全缠绕方式，其特征在于包括以下过程：

步骤1、对容器所用金属和复合材料分别做拉伸试验，得到拉伸试验曲线及弹性模量、剪切模量、泊松比，以及屈服强度、抗拉强度数据；

步骤2、根据上述数据运用有限元软件进行仿真设计，得到压力容器初步设计数据：壁厚、直径、长度、铺层、自紧压力；

步骤3、按压力容器初步设计数据制造压力容器样品；

步骤4、对压力容器样品进行自紧检测，其具体过程如下：

步骤4-1、沿压力容器样品的轴向和中部的环向均匀粘贴若干应变片；

步骤4-2、按压力容器初步设计数据中的自紧压力对压力容器样品进行内部加压并保压；

步骤4-3、保压状态下分别读取环向与轴向的应变片数据；

步骤4-4、查阅金属拉伸曲线可得金属内衬产生的环向塑性应变ε_hs与轴向塑性应变ε_zs；

步骤4-5、完全泄压，分别测得金属环向产生的残余应变ε_hc与轴向残余应变ε_zc；

步骤4-6、计算此时金属受外层复材压缩而产生的环向弹性应变ε_-h和轴向弹性应变ε_-z，ε_-h＝ε_hs-ε_hc，ε_-z＝ε_zs-ε_zc；

步骤4-7、将ε_-h、ε_-z分别代入广义胡克定律公式，计算得到金属所受环向压应力δ_-h和轴向压应力δ_-z，此时径向应力δ_j＝0，且对于圆筒状压力容器有：δ_-h＞δ_-z；

步骤5、对压力容器样品进行疲劳检测，其具体过程如下：

步骤5-1、对压力容器样品内部加压，升至标准疲劳试验压力值δ_p后保压；

步骤5-2、分别测得环向应变ε_hp和轴向应变ε_zp；

步骤5-3、金属由压缩状态变为拉伸状态，分别计算金属环向拉应变ε_hl与轴向拉应变ε_zl,ε_hl＝ε_hp-ε_hs，ε_zl＝ε_zp-ε_zs；

步骤5-4、将环向拉应变ε_hl与轴向拉应变ε_zl分别代入广义胡克定律公式，计算得到金属环向拉应力δ_hl和轴向拉应力δ_zl，此时径向应力δ_j＝-δ_p，且对于圆筒状压力容器有：δ_hl＞δ_zl；

步骤6、将环向拉应力δ_hl与永久疲劳应力δ_y相比较，环向压应力δ_-h与标准规定的压应力范围值{δ_i}相比较，对照下列规则对压力容器的初步设计数据作出合理调整；其具体操作如下：

步骤6-1、当δ_hl≤δ_y时

如果δ_-h＜{δ_i}，则金属内衬过厚、铺层合理,减薄壁厚；

如果δ_-h∈{δ_i}，则金属内衬与铺层设计合理，确定前期设计；

如果δ_-h＞{δ_i}，则金属内衬过薄、铺层合理，增加壁厚；

步骤6-2、当δ_hl＞δ_y时

如果δ_-h＜{δ_i}，则自紧压力过小,提高自紧压力；

如果δ_-h∈{δ_i}，且接近上限值，则金属内衬合理、铺层过薄，增加铺层厚度；

如果δ_-h∈{δ_i}，且远离上限值，则自紧压力偏小，增加自紧压力；

如果δ_-h＞{δ_i}，则金属内衬过薄、铺层过薄，增加两者厚度；

步骤7、步骤2至步骤6重复1-2次，使设计数据稳定下来。