CN111209693B - 一种气瓶受外物撞击后的爆破强度评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气瓶受外物撞击后的爆破强度评估方法，先基于ABAQUS软件进行碳纤维复合材料本构的二次开发，建立有限元分析模型；再利用ABAQUS软件并基于所述有限元分析模型对气瓶进行有限元分析，评估出气瓶受外物撞击后所能承受的最大内压，即气瓶受外物撞击后的爆破强度值。本发明综合考虑特定内压下的气瓶受撞击过程动态响应、内胆局部变形及碳纤维复合材料连续损伤特性，建立的评估方法弥补了现有技术中试验方法成本高、耗时长的问题，可以实现钢内胆碳纤维复合材料缠绕气瓶的高效合理预测，使用范围广，具有工程应用价值。

Description

一种气瓶受外物撞击后的爆破强度评估方法

技术领域

本发明涉及安全工程技术领域，尤其是一种气瓶受外物撞击后的爆破强度评估方法。

背景技术

钢内胆碳纤维复合材料缠绕气瓶因具有质量轻、强度高、抗疲劳性能好和结构设计灵活等优点，在加氢站储氢、长管拖车气体储运及国防军工等领域得到了广泛应用。然而，碳纤维复合材料对撞击损伤比较敏感，当气瓶受到外物撞击载荷作用时，会在材料内部形成基体开裂、纤维断裂和层间分层等损伤，导致气瓶强度降低，形成安全隐患。为避免气瓶盲目使用或不必要的报废，需要对钢内胆碳纤维复合材料缠绕气瓶受外物撞击后的爆破强度进行评估，以达到既保证安全又减少经济损失的目的。

目前，钢内胆碳纤维复合材料缠绕气瓶受外物撞击后的爆破强度研究主要集中在试验方面，需要耗费大量的时间、人力和物力。对于综合考虑特定内压下外物撞击过程动态响应、内胆局部变形及碳纤维复合材料连续损伤特性的钢内胆碳纤维复合材料缠绕气瓶的爆破强度数值预测方法研究尚缺乏。上述情况为钢内胆碳纤维复合材料缠绕气瓶受外物撞击后的爆破强度高效合理评估带来了困难。

发明内容

为了克服上述现有技术中的缺陷，本发明提供一种气瓶受外物撞击后的爆破强度评估方法，弥补了现有技术中试验方法成本高、耗时长的问题，可实现钢内胆碳纤维复合材料缠绕气瓶的高效合理预测，使用范围广，具有工程应用价值。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案，包括：

一种气瓶受外物撞击后的爆破强度评估方法，该气瓶为钢内胆碳纤维复合材料缠绕气瓶，包括以下步骤：

S1，建立碳纤维复合材料连续损伤本构模型；

S2，基于ABAQUS/VUMAT用户自定义本构子程序模块，编写步骤S1中的碳纤维复合材料连续损伤本构模型的本构子程序；

所述本构子程序：从ABAQUS/Explicit主程序中调取并根据碳纤维复合材料在上一计算步的应力张量和应变张量，计算碳纤维复合材料在当前计算步的应力张量和应变张量；

所述应力张量用{σ}表示，且{σ}＝{σ₁₁,σ₂₂,σ₃₃,σ₁₂}^T，σ₁₁、σ₂₂、σ₃₃、σ₁₂均为应力分量，分别表示不同方向的应力分量；

所述应变张量用{ε}表示，且{ε}＝{ε₁₁,ε₂₂,ε₃₃,ε₁₂}^T，ε₁₁、ε₂₂、ε₃₃、ε₁₂均为应变分量，分别表示不同方向的应变分量；

方向1为碳纤维复合材料的纤维轴向，方向2表示碳纤维复合材料面内垂直于纤维轴向的方向，方向3表示碳纤维复合材料的厚度方向；

应力分量σ_ij中，下标i表示应力分量在法线方向与方向i平行的平面内，下标j表示应力分量方向与方向j平行；应力分量σ_ii表示应力分量方向与方向i平行；

应变分量ε_ij中，下标i表示应变分量在法线方向与方向i平行的平面内，下标j表示应变分量方向与方向j平行；应变分量ε_ii表示应变分量方向与方向i平行；

S3，建立有限元分析模型，至少包括对碳纤维复合材料层的分析；

所述碳纤维复合材料层的分析方式为：对碳纤维复合材料层进行网格单元划分，利用步骤S2的本构子程序对碳纤维复合材料层进行计算，在各计算步下，均分别计算碳纤维复合材料层的各个网格单元的应力张量和应变张量；

S4，气瓶在特定的内压P₀下，利用所述有限元分析模型进行有限元分析，在各计算步下，均分别计算碳纤维复合材料层的各个网格单元的应力张量和应变张量；

S5，气瓶在特定的内压P₀下受外物撞击，利用所述有限元分析模型进行有限元分析，在各计算步下，均分别计算碳纤维复合材料层的各个网格单元的应力张量和应变张量；

在每个计算步中，均分别从碳纤维复合材料层的各个网格单元中找出碳纤维复合材料层的纤维轴向应变分量ε₁₁的最大值即maxε₁₁；

分别比较每个计算步中的碳纤维复合材料层的纤维轴向应变分量最大值maxε₁₁是否大于碳纤维复合材料的纤维轴向断裂应变ε_cf，若存在某个计算步中的碳纤维复合材料层的纤维轴向应变分量最大值maxε₁₁≥ε_cf，则表示气瓶发生破坏，并终止计算；否则表示气瓶未发生破坏，继续计算，即进行下一步骤；

S6，对气瓶进行增压，即增加气瓶的内压；

S7，气瓶增压后，利用所述有限元分析模型进行有限元分析，在各计算步下，均分别计算碳纤维复合材料层的各个网格单元的应力张量和应变张量；

在每个计算步中，均分别从碳纤维复合材料层的各个网格单元中找出碳纤维复合材料层的纤维轴向应变分量ε₁₁的最大值即maxε₁₁；

分别比较每个计算步中的碳纤维复合材料层的纤维轴向应变分量的最大值maxε₁₁是否大于碳纤维复合材料的纤维轴向断裂应变ε_cf，若存在某个计算步中的碳纤维复合材料层的纤维轴向应变分量的最大值maxε₁₁≥ε_cf，则表示气瓶发生破坏，并终止计算；否则，表示气瓶未发生破坏，继续对气瓶进行增压，并继续进行气瓶增压后的有限元分析，即重新执行步骤S6～S7；

步骤S4～S7是利用ABAQUS软件并基于所述有限元分析模型对气瓶进行有限元分析的过程，计算出气瓶受外物撞击后所能承受的最大内压，从而评估气瓶受外物撞击后的爆破强度值，且气瓶受外物撞击后的爆破强度值即为气瓶受外物撞击后所能承受的最大内压；

各计算步之间的时间间隔为有限元分析过程中设置的参数。

步骤S1中，碳纤维复合材料连续损伤本构模型中包括：纤维拉伸损伤参数f₁、基体拉伸损伤参数f₂、纤维压缩损伤参数f₃、基体压缩损伤参数f₄、面内剪切损伤参数f₅的函数，分别如下所示：

上述式中，f₁为纤维拉伸损伤参数、f₂为基体拉伸损伤参数、f₃为纤维压缩损伤参数、f₄为基体压缩损伤参数、f₅为面内剪切损伤参数；

X_t为碳纤维复合材料的纤维轴向拉伸强度，Y_t为碳纤维复合材料的纤维横向拉伸强度；X_c为碳纤维复合材料的纤维轴向压缩强度，Y_c为碳纤维复合材料的纤维横向压缩强度；S₁₂为碳纤维复合材料的剪切强度；

当存在任意的损伤参数的值大于等于1时，则表示损伤发生并进入损伤演化阶段，损伤演化阶段中，

损伤变量W为：

式中，φ_i,i＝1,2,3,4,5均为损伤累积变量；

式中，α_i,i＝1,2,3,4,5均为中间变量；

式中，m_i,i＝1,2,3,4,5均为表征损伤软化特征的材料常数；

损伤演化影响的柔度矩阵[S_ij]为：

式中，E₁₁、E₂₂为碳纤维复合材料的弹性模量；G₁₂为碳纤维复合材料的剪切模量；v₁₂、v₂₁分别为不同方向的碳纤维复合材料泊松比；

碳纤维复合材料的刚度矩阵[C_ij]为：

[C_ij]＝[S_ij]^-1； 式10

碳纤维复合材料的应力张量{σ}与应变张量{ε}之间的关系为：

{σ}＝[C_ij]{ε}； 式11

式中，应力张量{σ}＝{σ₁₁,σ₂₂,σ₃₃,σ₁₂}^T；应变张量{ε}＝{ε₁₁,ε₂₂,ε₃₃,ε₁₂}^T。

步骤S2中，所述本构子程序的处理流程如下所示：

S201，本构子程序从ABAQUS/Explicit主程序中调取碳纤维复合材料在上一计算步即第n-1个计算步的应力张量{σ^n-1}和应变张量{ε^n-1}，上标n-1表示第n-1个计算步；

本构子程序还从ABAQUS/Explicit主程序中调取碳纤维复合材料在当前计算步即在第n个计算步的应变张量增量{Δεⁿ}，Δε₁₁、Δε₂₂、Δε₃₃、Δε₁₂分别为相应的各个应变分量增量，上标n表示第n个计算步；

S202，本构子程序根据碳纤维复合材料在第n-1个计算步的应变张量{ε^n-1}，以及在第n个计算步的应变张量增量{Δεⁿ}，计算碳纤维复合材料在当前计算步即在第n个计算步的应变张量{εⁿ}，

S203，本构子程序根据碳纤维复合材料在第n-1个计算步的应力张量{σ^n-1}，以及根据步骤S1中的式1～5，分别计算碳纤维复合材料在第n个计算步的纤维拉伸损伤参数f₁ ⁿ、基体拉伸损伤参数f₂ ⁿ、纤维压缩损伤参数f₃ ⁿ、基体压缩损伤参数f₄ ⁿ、面内剪切损伤参数f₅ ⁿ；

本构子程序根据碳纤维复合材料在第n个计算步的纤维拉伸损伤参数f₁ ⁿ、基体拉伸损伤参数f₂ ⁿ、纤维压缩损伤参数f₃ ⁿ、基体压缩损伤参数f₄ ⁿ、面内剪切损伤参数f₅ ⁿ，以及根据步骤S1中的式6～10，依次计算碳纤维复合材料在第n个计算步的损伤变量Wⁿ、刚度矩阵

S204，本构子程序根据碳纤维复合材料在第n个计算步的刚度矩阵应变张量{εⁿ}，以及根据步骤S1中的式11，计算碳纤维复合材料在第n个计算步的应力张量

S205，本构子程序将碳纤维复合材料在当前计算步即在第n个计算步的应力张量{σⁿ}，应变张量{εⁿ}输出给ABAQUS/Explicit主程序，主程序基于碳纤维复合材料在第n个计算步的应力张量{σⁿ}和应变张量{εⁿ}，进一步计算得到碳纤维复合材料在下一计算步即第n+1个计算步的应变张量增量{Δεⁿ⁺¹}，上标n+1表示第n+1个计算步。

步骤S3中，建立含撞击物、钢内胆碳纤维复合材料缠绕气瓶的有限元分析模型，具体方式如下所示：

S301，在ABAQUS/CAE中分别建立撞击物、钢内胆、碳纤维复合材料层的几何模型；

S302，设置材料属性：撞击物赋予刚体材料属性；钢内胆赋予含应变硬化和应变率效应的材料属性；碳纤维复合材料层由步骤S2编写的本构子程序并通过ABAQUS-VUMAT模块接口赋予其材料属性；

S303，划分网格单元：撞击物和钢内胆采用C3D8R缩减积分实体单元划分网格；碳纤维复合材料采用S4R缩减积分壳单元划分网格，且在S4R缩减积分壳单元中设置碳纤维缠绕的角度、层数、各层厚度；

S304，施加撞击物的初始状态参数和气瓶的边界条件，设定外物撞击气瓶的初始撞击速度、撞击角度、撞击位置，确定气瓶约束部位并施加边界条件；

S305，定义接触，在撞击物、钢内胆、碳纤维复合材料之间设置通用接触算法；

S306，设置计算分析步，包括：

分析步1：气瓶在特定内压P₀下的有限元分析；

分析步2：气瓶在特定内压P₀下受外物撞击的有限元分析；

分析步3：气瓶在特定内压P₀下受外物撞击后进行增压的有限元分析。

步骤S1中，碳纤维复合材料的纤维轴向拉伸强度X_t，碳纤维复合材料的纤维横向拉伸强度Y_t，碳纤维复合材料的纤维轴向压缩强度X_c，碳纤维复合材料的纤维横向压缩强度Y_c，碳纤维复合材料的剪切强度S₁₂，碳纤维复合材料的弹性模量E₁₁、E₂₂，碳纤维复合材料的剪切模量G₁₂，碳纤维复合材料的泊松比v₁₂、v₂₁均可通过材料性能试验测试获得。

步骤S302中，含应变硬化和应变率效应的材料属性的钢内胆本构模型如下所示：

式中，σ_eq为钢内胆等效应力；ε_eq为钢内胆等效塑性应变， 为无量纲应变率，/>为钢内胆等效应变率，/>为钢内胆参考应变率；A、B、C、n为钢内胆材料常数。

在步骤S4～S7的有限元分析过程中，要求钢内胆等效塑性应变ε_eq不超过钢内胆断裂应变ε_f，若钢内胆的等效塑性应变ε_eq大于等于钢内胆断裂应变ε_f，则表示钢内胆失效，气瓶发生破坏；

式中，ε_f为钢内胆断裂应变；D₁、D₂、D₃、D₄均为表征钢内胆材料断裂应变随三轴应力系数和应变率变化特征的常数，均可通过材料性能试验测试获得；σ^*为三轴应力系数，σ^*＝σ_H/σ_eq，σ_H为静水应力。

钢内胆材料常数A、B、C、n均可通过材料性能试验测试获得。

步骤S5和S7中，碳纤维复合材料的纤维轴向断裂应变ε_cf为材料参数，可通过材料性能试验测试获得。

步骤S6中，气瓶的内压为线性增加，即气瓶每次进行增压时，内压增量ΔP为固定值。

本发明的优点在于：

本发明综合考虑特定内压下的气瓶受撞击过程的动态响应、内胆局部变形及碳纤维复合材料连续损伤特性，建立的评估方法弥补了现有技术中试验方法成本高、耗时长的问题，可以实现钢内胆碳纤维复合材料缠绕气瓶的高效合理预测，使用范围广，具有工程应用价值。

附图说明

图1为本发明的一种气瓶受外物撞击后的爆破强度评估方法的流程图；

图2为本实施例的有限元分析模型。

图3为本实施例的分析步1计算得到的碳纤维复合材料层纤维轴向应变分量ε₁₁的云图。

图4中的a、b、c分别为本实施例的分析步1计算得到的碳纤维复合材料层应力分量σ₁₁、σ₂₂、σ₁₂的云图。

图5为本实施例的分析步2计算得到的碳纤维复合材料层纤维轴向应变分量最大值maxε₁₁随时间的变化关系曲线。

图6为本实施例的分析步3计算得到的碳纤维复合材料层纤维轴向应变分量最大值maxε₁₁随气瓶内压的变化关系曲线。

图7为本发明的方向示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

针对某4130钢内胆、T700碳纤维复合材料缠绕气瓶，钢内胆外径为120mm、全长为304mm、壁厚为5.0mm，碳纤维复合材料层为环向加螺旋缠绕，由钢内胆外表面向外缠绕角度依次为±90°、±14°、±90°、±14°、±90°，所述缠绕角度是指纤维方向与气瓶轴线方向夹角，缠绕层数共10层，单层厚度为0.55mm，初始加载的特定内压为5MPa；撞击物为钢制球头冲头，直径为15mm、质量为10kg；球头冲头垂直撞击气瓶中间部位，撞击速度为0.5m/s。本实施例为了评估该气瓶受球头冲头撞击后的爆破强度，现采用本发明提供的一种气瓶受外物撞击后的爆破强度评估方法进行分析，由图1所示，包括以下步骤：

S1，建立碳纤维复合材料连续损伤的本构模型，所述本构模型中包括纤维拉伸损伤参数f₁、基体拉伸损伤参数f₂、纤维压缩损伤参数f₃、基体压缩损伤参数f₄、面内剪切损伤参数f₅的函数，分别如下式所示：

上述式1～5中，f表示损伤参数，其中，f₁为纤维拉伸损伤参数、f₂为基体拉伸损伤参数、f₃为纤维压缩损伤参数、f₄为基体压缩损伤参数、f₅为面内剪切损伤参数；

σ₁₁、σ₂₂、σ₁₂均为应力分量，分别表示不同方向上的应力分量；由于应力分量σ₃₃的数值为零，故此处仅考虑三个应力分量；

X_t为碳纤维复合材料的纤维轴向拉伸强度，Y_t为碳纤维复合材料的纤维横向拉伸强度；本实施例中，X_t＝2500MPa；Y_t＝60MPa；

X_c为碳纤维复合材料的纤维轴向压缩强度，Y_c为碳纤维复合材料的纤维横向压缩强度；本实施例中，X_c＝1250MPa；Y_c＝186MPa；

S₁₂为碳纤维复合材料的剪切强度；本实施例中，S₁₂＝85MPa；

当存在任意的损伤参数的值大于等于1时，则表示损伤发生并进入损伤演化阶段，损伤演化过程如下所示：

损伤变量W为：

式6中，φ_i,i＝1,2,3,4,5均为损伤累积变量；

式7中，α_i,i＝1,2,3,4,5均为中间变量；

式7中，m_i,i＝1,2,3,4,5均为表征损伤软化特征的材料常数；本实施例中，m_i,i＝1,2,3,4,5均取值为10；

损伤演化影响的柔度矩阵[S_ij]为：

式9中，E₁₁、E₂₂为碳纤维复合材料的弹性模量；本实施例中，E₁₁＝154.1GPa；E₂₂＝10.3GPa；

G₁₂为碳纤维复合材料的剪切模量；本实施例中，G₁₂＝7.092GPa；

v₁₂、v₂₁均为碳纤维复合材料的泊松比，分别为不同方向上的泊松比；本发明中，方向1为碳纤维复合材料的纤维轴向，方向2表示碳纤维复合材料面内垂直于纤维轴向的方向；泊松比v_ij中，下标i表示泊松比在法线方向与方向i平行的平面内，下标j表示泊松比方向与方向j平行；本实施例中，v₁₂＝0.28；v₂₁＝0.019；

碳纤维复合材料的刚度矩阵[C_ij]为：

[C_ij]＝[S_ij]^-1； 式10

碳纤维复合材料的应力张量{σ}与应变张量{ε}之间的关系为：

{σ}＝[C_ij]{ε}； 式11

式11中，应力张量{σ}＝{σ₁₁,σ₂₂,σ₃₃,σ₁₂}^T，σ₁₁、σ₂₂、σ₃₃、σ₁₂均为应力分量，分别表示不同方向上的应力分量；应变张量{ε}＝{ε₁₁,ε₂₂,ε₃₃,ε₁₂}^T，ε₁₁、ε₂₂、ε₃₃、ε₁₂均为应变分量，分别表示不同方向上的应变分量；

由图7所示，本发明中，方向1为碳纤维复合材料的纤维轴向，方向2表示碳纤维复合材料面内垂直于纤维轴向的方向，方向3表示碳纤维复合材料的厚度方向；

应力分量σ_ij中，下标i表示应力分量在法线方向与方向i平行的平面内，下标j表示应力分量方向与方向j平行；应力分量σ_ii表示应力分量方向与方向i平行；即，σ₁₁为平行于方向1的应力分量；σ₂₂为平行于方向2的应力分量；σ₃₃为平行于方向3的应力分量；σ₁₂为在法线方向与方向1平行的平面内，平行于方向2的应力分量；

应变分量ε_ij中，下标i表示应变分量在法线方向与方向i平行的平面内，下标j表示应变分量方向与方向j平行；应力分量ε_ii表示应变分量方向与方向i平行；即，ε₁₁为平行于方向1的应变分量，即纤维轴向的应变分量；ε₂₂为平行于方向2的应变分量；ε₃₃为平行于方向3的应变分量；ε₁₂为在法线方向与方向1平行的平面内，平行于方向2的应变分量；

S2，基于ABAQUS/VUMAT用户自定义本构子程序模块，利用Fortran语言编写步骤S1中的碳纤维复合材料连续损伤本构模型的本构子程序；

所述本构子程序：从ABAQUS/Explicit主程序中调取并根据碳纤维复合材料在上一计算步的应力张量和应变张量，计算碳纤维复合材料在当前计算步的应力张量和应变张量；各计算步之间的时间间隔是ABAQUS软件计算分析过程中的参数；

具体的，所述本构子程序的处理流程如下所示：

S201，本构子程序从ABAQUS/Explicit主程序中调取碳纤维复合材料在上一计算步即第n-1个计算步的应力张量{σ^n-1}和应变张量{ε^n-1}，上标n-1表示第n-1个计算步；

本构子程序还从ABAQUS/Explicit主程序中调取碳纤维复合材料在当前计算步即在第n个计算步的应变张量增量{Δεⁿ}，Δε₁₁、Δε₂₂、Δε₃₃、Δε₁₂分别为相应的各个应变分量增量，上标n表示第n个计算步；

S202，本构子程序根据碳纤维复合材料在第n-1个计算步的应变张量{ε^n-1}，以及在第n个计算步的应变张量增量{Δεⁿ}，计算碳纤维复合材料在当前计算步即在第n个计算步的应变张量{εⁿ}，

S203，本构子程序根据碳纤维复合材料在第n-1个计算步的应力张量{σ^n-1}，以及根据步骤S1中的式1～5，分别计算碳纤维复合材料在第n个计算步的纤维拉伸损伤参数f₁ ⁿ、基体拉伸损伤参数f₂ ⁿ、纤维压缩损伤参数f₃ ⁿ、基体压缩损伤参数f₄ ⁿ、面内剪切损伤参数f₅ ⁿ；

本构子程序根据碳纤维复合材料在第n个计算步的纤维拉伸损伤参数f₁ ⁿ、基体拉伸损伤参数f₂ ⁿ、纤维压缩损伤参数f₃ ⁿ、基体压缩损伤参数f₄ ⁿ、面内剪切损伤参数f₅ ⁿ，以及根据步骤S1中的式6～10，依次计算碳纤维复合材料在第n个计算步的损伤变量Wⁿ、刚度矩阵

S204，本构子程序根据碳纤维复合材料在第n个计算步的刚度矩阵应变张量{εⁿ}，以及根据步骤S1中的式11，计算碳纤维复合材料在第n个计算步的应力张量

S205，本构子程序将碳纤维复合材料在当前计算步即在第n个计算步的应力张量{σⁿ}，应变张量{εⁿ}输出给ABAQUS/Explicit主程序，主程序根据碳纤维复合材料在第n个计算步的应力张量{σⁿ}和应变张量{εⁿ}，以及根据实际分析时在计算分析步中所施加的载荷，进一步计算得到碳纤维复合材料在下一计算步即第n+1个计算步的应变张量增量{Δεⁿ⁺¹}，上标n+1表示第n+1个计算步；

其中，所施加的载荷包括：分析步1中对气瓶加载的特定内压，分析步2中对气瓶进行撞击的撞击力，分析步3中对气瓶的增压；

步骤S3中，建立有限元分析模型，包括对撞击物、钢内胆、碳纤维复合材料层的分析；具体方式如下所示：

S301，在ABAQUS/CAE中分别建立撞击物、钢内胆、碳纤维复合材料层的几何模型；

S302，分别设置撞击物、钢内胆、碳纤维复合材料层的材料属性，其中，

撞击物赋予刚体材料属性；

钢内胆赋予考虑应变硬化和应变率效应的材料属性，钢内胆的本构模型如下所示：

式13中，σ_eq为钢内胆等效应力；ε_eq为钢内胆等效塑性应变；为无量纲应变率， 为钢内胆等效应变率即等效塑性应变随时间的变化率，/>为钢内胆参考应变率；A、B、C、n均为钢内胆材料常数，A为材料静态屈服强度，B、n为表征材料应变硬化效应的常数，C为表征材料应变率效应的常数；本实施例中，针对4130钢，钢内胆材料常数A＝673MPa；B＝190MPa；C＝0.017；n＝0.1538；钢内胆参考应变率/>

钢内胆的失效准则为：

式14中，ε_f为钢内胆断裂应变；D₁、D₂、D₃、D₄均为表征钢内胆材料断裂应变随三轴应力系数和应变率变化特征的常数；σ^*为三轴应力系数，σ^*＝σ_H/σ_eq，σ_H为静水应力；本实施例中，针对4130钢，钢内胆材料常D₁＝-0.1895；D₂＝0.7324；D₃＝-0.6633；D₄＝0.0291；

碳纤维复合材料由步骤S2编写的本构子程序通过ABAQUS-VUMAT模块接口赋予其材料属性；

S303，分别对撞击物、钢内胆、碳纤维复合材料层划分网格单元，其中，

撞击物和钢内胆采用C3D8R缩减积分实体单元划分网格；

碳纤维复合材料层采用S4R缩减积分壳单元划分网格，且在S4R缩减积分壳单元中设置碳纤维缠绕的角度、层数、各层厚度；本实施例中，由钢内胆外表面向外缠绕角度依次为±90°、±14°、±90°、±14°、±90°，所述缠绕角度是指纤维方向与气瓶轴线方向夹角，缠绕层数共10层，单层厚度为0.55mm；

S304，施加撞击物的初始状态参数和气瓶的边界条件，设定外物撞击气瓶的初始撞击速度、撞击角度、撞击位置，确定气瓶约束部位并施加边界条件；本实施例中，设定外物即球头冲头撞击气瓶的初始撞击速度为0.5m/s，撞击角度和撞击位置为垂直撞击气瓶中间部位，气瓶瓶口端面施加轴向位移即Y方向约束，气瓶冲击背面施加X方向约束，具体如图2所示，图2为建立的含球头冲头、钢内胆碳纤维复合材料缠绕气瓶的有限元分析模型的二分之一解剖图；

S305，在撞击物、钢内胆、碳纤维复合材料层之间设置通用接触算法；

ABAQUS软件中包括面面接触、自接触、通用接触的算法；其中，通用接触是用一个接触描述本模型中所有区域间的接触关系；面面接触是用于描述两个指定面之间的接触关系；自接触是用于描述一个面不同部分之间的接触关系；

S306，设置三个计算分析步：

分析步1，气瓶在特定内压P₀下的有限元分析；本实施例中，气瓶初始加载的特定内压P₀＝5MPa；

分析步2，气瓶在特定内压P₀下受外物撞过程的有限元分析；

分析步3，气瓶在特定内压P₀下受外物撞击后增压的有限元分析；本实施例中，撞击后气瓶的内压由初始加载的特定内压5MPa以匀速率增压；

S4，进行分析步1的计算，即气瓶在特定内压P₀＝5MPa下，利用所述有限元分析模型进行有限元分析，在各计算步下，均分别计算碳纤维复合材料层的各个网格单元的应力张量和应变张量；

在每个计算步中，均分别从碳纤维复合材料层的各个网格单元中找出碳纤维复合材料层的纤维轴向应变分量ε₁₁的最大值即maxε₁₁；

碳纤维复合材料层的纤维轴向应变分量ε₁₁的云图如图3所示，碳纤维复合材料层的纤维轴向最大应变分量maxε₁₁＝2.714×10^-4；

碳纤维复合材料层的应力分量σ₁₁、σ₂₂、σ₁₂的云图分别如图4中的a、b、c所示；

S5，进行分析步2的计算，即气瓶在特定内压P₀下受外物撞击的有限元分析，在各计算步下，均分别计算碳纤维复合材料层的各个网格单元的应力张量和应变张量；

在分析步2计算过程中，在每个计算步中，均分别从碳纤维复合材料层的各个网格单元中找出碳纤维复合材料层的纤维轴向应变分量ε₁₁的最大值即maxε₁₁；

分别比较每个计算步中的碳纤维复合材料层的纤维轴向应变分量最大值maxε₁₁是否大于碳纤维复合材料的纤维轴向断裂应变ε_cf，若存在某个计算步中的碳纤维复合材料层的纤维轴向应变分量最大值maxε₁₁≥ε_cf，则表示气瓶发生破坏，并终止计算，气瓶的爆破强度值为0；否则表示气瓶未发生破坏，继续计算，即进行下一步骤；

本实施例中，分析步2的计算过程中，碳纤维复合材料层的纤维轴向应变分量最大值maxε₁₁随时间的变化关系曲线，如图5所示，各计算步中的碳纤维复合材料层的纤维轴向应变分量最大值maxε₁₁均小于碳纤维复合材料纤维层的纤维轴向断裂应变ε_cf；

碳纤维复合材料的纤维轴向断裂应变ε_cf为材料参数，可通过材料性能试验测试获得；本实施例中，碳纤维复合材料纤维的轴向断裂应变ε_cf＝0.0138；

S6，增加气瓶的内压，气瓶的内压为线性增加，即P_n＝P_n-1+ΔP，P_n为当前计算步即第n个计算步的气瓶内压，P_n-1为上一计算步即第n-1个计算步的气瓶内压，ΔP为设定的内压增量，内压增量ΔP为固定值；

S7，气瓶增压后，进行分析步3的计算，即气瓶增压后的有限元分析，在各计算步下，均分别计算碳纤维复合材料层的各个网格单元的应力张量和应变张量；

在分析步3的计算过程中，在每个计算步中，均分别从碳纤维复合材料层的各个网格单元中找出碳纤维复合材料层的纤维轴向应变分量ε₁₁的最大值即maxε₁₁；

分别比较每个计算步中的碳纤维复合材料层的纤维轴向应变分量的最大值maxε₁₁是否大于碳纤维复合材料的纤维轴向断裂应变ε_cf，若存在某个计算步中的碳纤维复合材料层的纤维轴向应变分量的最大值maxε₁₁≥ε_cf，则表示气瓶发生破坏，并终止计算，气瓶的爆破强度值为气瓶的当前内压；否则，表示气瓶未发生破坏，继续对气瓶进行增压，并继续进行气瓶增压后的有限元分析，即重新执行步骤S6～S7；

本实施例中，分析步3的计算过程中，碳纤维复合材料层的纤维轴向应变分量最大值maxε₁₁随气瓶内压的变化关系曲线，如图6所示：

当气瓶内压小于82.8MPa时，maxε₁₁＜ε_cf，继续进行步骤S6～S7的气瓶增压计算；当气瓶内压等于82.8MPa时，maxε₁₁≥ε_cf，终止计算，因此，气瓶受撞击后的爆破强度值为82.8MPa。

本实施例中，步骤S1～S3是对ABAQUS软件的二次开发过程，基于ABAQUS软件建立有限元分析模型；步骤S4～S7是利用ABAQUS软件并基于所述有限元分析模型对气瓶进行有限元分析的过程，计算出气瓶受外物撞击后所能承受的最大内压，从而评估出气瓶受外物撞击后的爆破强度值，且爆破强度值即为气瓶受外物撞击后所能承受的最大内压；

在步骤S4～S7的有限元分析过程中，要求钢内胆等效塑性应变ε_eq不超过式14所述的钢内胆断裂应变ε_f，若钢内胆的等效塑性应变ε_eq大于等于钢内胆断裂应变ε_f，则表示钢内胆失效，气瓶同样发生破坏。但是常规情况下，对气瓶受外物撞击后的爆破强度进行评估时，钢内胆一般不会先于碳纤维复合材料层发生失效。

以上仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种气瓶受外物撞击后的爆破强度评估方法，该气瓶为钢内胆碳纤维复合材料缠绕气瓶，其特征在于，包括以下步骤：

S1，建立碳纤维复合材料连续损伤本构模型；

S2，基于ABAQUS/VUMAT用户自定义本构子程序模块，编写步骤S1中的碳纤维复合材料连续损伤本构模型的本构子程序；

所述本构子程序：从ABAQUS/Explicit主程序中调取并根据碳纤维复合材料在上一计算步的应力张量和应变张量，计算碳纤维复合材料在当前计算步的应力张量和应变张量；

所述应力张量用{σ}表示，且{σ}＝{σ₁₁,σ₂₂,σ₃₃,σ₁₂}^T，σ₁₁、σ₂₂、σ₃₃、σ₁₂均为应力分量，分别表示不同方向的应力分量；

所述应变张量用{ε}表示，且{ε}＝{ε₁₁,ε₂₂,ε₃₃,ε₁₂}^T，ε₁₁、ε₂₂、ε₃₃、ε₁₂均为应变分量，分别表示不同方向的应变分量；

方向1为碳纤维复合材料的纤维轴向，方向2表示碳纤维复合材料面内垂直于纤维轴向的方向，方向3表示碳纤维复合材料的厚度方向；

应力分量σ_ij中，下标i表示应力分量在法线方向与方向i平行的平面内，下标j表示应力分量方向与方向j平行；应力分量σ_ii表示应力分量方向与方向i平行；

应变分量ε_ij中，下标i表示应变分量在法线方向与方向i平行的平面内，下标j表示应变分量方向与方向j平行；应变分量ε_ii表示应变分量方向与方向i平行；

S3，建立有限元分析模型，至少包括对碳纤维复合材料层的分析；

所述碳纤维复合材料层的分析方式为：对碳纤维复合材料层进行网格单元划分，利用步骤S2的本构子程序对碳纤维复合材料层进行计算，在各计算步下，均分别计算碳纤维复合材料层的各个网格单元的应力张量和应变张量；

S4，气瓶在特定的内压P₀下，利用所述有限元分析模型进行有限元分析，在各计算步下，均分别计算碳纤维复合材料层的各个网格单元的应力张量和应变张量；

S5，气瓶在特定的内压P₀下受外物撞击，利用所述有限元分析模型进行有限元分析，在各计算步下，均分别计算碳纤维复合材料层的各个网格单元的应力张量和应变张量；

在每个计算步中，均分别从碳纤维复合材料层的各个网格单元中找出碳纤维复合材料层的纤维轴向应变分量ε₁₁的最大值即maxε₁₁；

分别比较每个计算步中的碳纤维复合材料层的纤维轴向应变分量最大值maxε₁₁是否大于碳纤维复合材料的纤维轴向断裂应变ε_cf，若存在某个计算步中的碳纤维复合材料层的纤维轴向应变分量最大值maxε₁₁≥ε_cf，则表示气瓶发生破坏，并终止计算；否则表示气瓶未发生破坏，继续计算，即进行下一步骤；

S6，对气瓶进行增压，即增加气瓶的内压；

S7，气瓶增压后，利用所述有限元分析模型进行有限元分析，在各计算步下，均分别计算碳纤维复合材料层的各个网格单元的应力张量和应变张量；

在每个计算步中，均分别从碳纤维复合材料层的各个网格单元中找出碳纤维复合材料层的纤维轴向应变分量ε₁₁的最大值即maxε₁₁；

分别比较每个计算步中的碳纤维复合材料层的纤维轴向应变分量的最大值maxε₁₁是否大于碳纤维复合材料的纤维轴向断裂应变ε_cf，若存在某个计算步中的碳纤维复合材料层的纤维轴向应变分量的最大值maxε₁₁≥ε_cf，则表示气瓶发生破坏，并终止计算；否则，表示气瓶未发生破坏，继续对气瓶进行增压，并继续进行气瓶增压后的有限元分析，即重新执行步骤S6～S7；

步骤S4～S7是利用ABAQUS软件并基于所述有限元分析模型对气瓶进行有限元分析的过程，计算出气瓶受外物撞击后所能承受的最大内压，从而评估气瓶受外物撞击后的爆破强度值，且气瓶受外物撞击后的爆破强度值即为气瓶受外物撞击后所能承受的最大内压；

各计算步之间的时间间隔为有限元分析过程中设置的参数；

步骤S1中，碳纤维复合材料连续损伤本构模型中包括：纤维拉伸损伤参数f₁、基体拉伸损伤参数f₂、纤维压缩损伤参数f₃、基体压缩损伤参数f₄、面内剪切损伤参数f₅的函数，分别如下所示：

上述式中，f₁为纤维拉伸损伤参数、f₂为基体拉伸损伤参数、f₃为纤维压缩损伤参数、f₄为基体压缩损伤参数、f₅为面内剪切损伤参数；

X_t为碳纤维复合材料的纤维轴向拉伸强度，Y_t为碳纤维复合材料的纤维横向拉伸强度；X_c为碳纤维复合材料的纤维轴向压缩强度，Y_c为碳纤维复合材料的纤维横向压缩强度；S₁₂为碳纤维复合材料的剪切强度；

当存在任意的损伤参数的值大于等于1时，则表示损伤发生并进入损伤演化阶段，损伤演化阶段中，

损伤变量W为：

式中，φ_i,i＝1,2,3,4,5均为损伤累积变量；

式中，α_i,i＝1,2,3,4,5均为中间变量；

式中，m_i,i＝1,2,3,4,5均为表征损伤软化特征的材料常数；

损伤演化影响的柔度矩阵[S_ij]为：

式中，E₁₁、E₂₂为碳纤维复合材料的弹性模量；G₁₂为碳纤维复合材料的剪切模量；v₁₂、v₂₁分别为不同方向的碳纤维复合材料泊松比；

碳纤维复合材料的刚度矩阵[C_ij]为：

[C_ij]＝[S_ij]^-1； 式10

碳纤维复合材料的应力张量{σ}与应变张量{ε}之间的关系为：

{σ}＝[C_ij]{ε}； 式11

式中，应力张量{σ}＝{σ₁₁,σ₂₂,σ₃₃,σ₁₂}^T；应变张量{ε}＝{ε₁₁,ε₂₂,ε₃₃,ε₁₂}^T；

步骤S2中，所述本构子程序的处理流程如下所示：

S201，本构子程序从ABAQUS/Explicit主程序中调取碳纤维复合材料在上一计算步即第n-1个计算步的应力张量{σ^n-1}和应变张量{ε^n-1}，上标n-1表示第n-1个计算步；

本构子程序还从ABAQUS/Explicit主程序中调取碳纤维复合材料在当前计算步即在第n个计算步的应变张量增量{Δεⁿ}，Δε₁₁、Δε₂₂、Δε₃₃、Δε₁₂分别为相应的各个应变分量增量，上标n表示第n个计算步；

S202，本构子程序根据碳纤维复合材料在第n-1个计算步的应变张量{ε^n-1}，以及在第n个计算步的应变张量增量{Δεⁿ}，计算碳纤维复合材料在当前计算步即在第n个计算步的应变张量{εⁿ}，

S203，本构子程序根据碳纤维复合材料在第n-1个计算步的应力张量{σ^n-1}，以及根据步骤S1中的式1～5，分别计算碳纤维复合材料在第n个计算步的纤维拉伸损伤参数f₁ ⁿ、基体拉伸损伤参数f₂ ⁿ、纤维压缩损伤参数f₃ ⁿ、基体压缩损伤参数f₄ ⁿ、面内剪切损伤参数f₅ ⁿ；

本构子程序根据碳纤维复合材料在第n个计算步的纤维拉伸损伤参数f₁ ⁿ、基体拉伸损伤参数f₂ ⁿ、纤维压缩损伤参数f₃ ⁿ、基体压缩损伤参数f₄ ⁿ、面内剪切损伤参数f₅ ⁿ，以及根据步骤S1中的式6～10，依次计算碳纤维复合材料在第n个计算步的损伤变量Wⁿ、刚度矩阵

S204，本构子程序根据碳纤维复合材料在第n个计算步的刚度矩阵应变张量{εⁿ}，以及根据步骤S1中的式11，计算碳纤维复合材料在第n个计算步的应力张量

S205，本构子程序将碳纤维复合材料在当前计算步即在第n个计算步的应力张量{σⁿ}，应变张量{εⁿ}输出给ABAQUS/Explicit主程序，主程序基于碳纤维复合材料在第n个计算步的应力张量{σⁿ}和应变张量{εⁿ}，进一步计算得到碳纤维复合材料在下一计算步即第n+1个计算步的应变张量增量{Δεⁿ⁺¹}，上标n+1表示第n+1个计算步；

步骤S3中，建立含撞击物、钢内胆碳纤维复合材料缠绕气瓶的有限元分析模型，具体方式如下所示：

S301，在ABAQUS/CAE中分别建立撞击物、钢内胆、碳纤维复合材料层的几何模型；

S302，设置材料属性：撞击物赋予刚体材料属性；钢内胆赋予含应变硬化和应变率效应的材料属性；碳纤维复合材料层由步骤S2编写的本构子程序并通过ABAQUS-VUMAT模块接口赋予其材料属性；

S303，划分网格单元：撞击物和钢内胆采用C3D8R缩减积分实体单元划分网格；碳纤维复合材料采用S4R缩减积分壳单元划分网格，且在S4R缩减积分壳单元中设置碳纤维缠绕的角度、层数、各层厚度；

S304，施加撞击物的初始状态参数和气瓶的边界条件，设定外物撞击气瓶的初始撞击速度、撞击角度、撞击位置，确定气瓶约束部位并施加边界条件；

S305，定义接触，在撞击物、钢内胆、碳纤维复合材料之间设置通用接触算法；

S306，设置计算分析步，包括：

分析步1：气瓶在特定内压P₀下的有限元分析；

分析步2：气瓶在特定内压P₀下受外物撞击的有限元分析；

分析步3：气瓶在特定内压P₀下受外物撞击后进行增压的有限元分析。

2.根据权利要求1所述的一种气瓶受外物撞击后的爆破强度评估方法，其特征在于，步骤S1中，碳纤维复合材料的纤维轴向拉伸强度X_t，碳纤维复合材料的纤维横向拉伸强度Y_t，碳纤维复合材料的纤维轴向压缩强度X_c，碳纤维复合材料的纤维横向压缩强度Y_c，碳纤维复合材料的剪切强度S₁₂，碳纤维复合材料的弹性模量E₁₁、E₂₂，碳纤维复合材料的剪切模量G₁₂，碳纤维复合材料的泊松比v₁₂、v₂₁均可通过材料性能试验测试获得。

3.根据权利要求1所述的一种气瓶受外物撞击后的爆破强度评估方法，其特征在于，步骤S302中，含应变硬化和应变率效应的材料属性的钢内胆本构模型如下所示：

式中，σ_eq为钢内胆等效应力；ε_eq为钢内胆等效塑性应变， 为无量纲应变率，/>为钢内胆等效应变率，/>为钢内胆参考应变率；A、B、C、n为钢内胆材料常数。

4.根据权利要求3所述的一种气瓶受外物撞击后的爆破强度评估方法，其特征在于，在步骤S4～S7的有限元分析过程中，要求钢内胆等效塑性应变ε_eq不超过钢内胆断裂应变ε_f，若钢内胆的等效塑性应变ε_eq大于等于钢内胆断裂应变ε_f，则表示钢内胆失效，气瓶发生破坏；

式中，ε_f为钢内胆断裂应变；D₁、D₂、D₃、D₄均为表征钢内胆材料断裂应变随三轴应力系数和应变率变化特征的常数，均可通过材料性能试验测试获得；σ^*为三轴应力系数，σ^*＝σ_H/σ_eq，σ_H为静水应力。

5.根据权利要求3所述的一种气瓶受外物撞击后的爆破强度评估方法，其特征在于，钢内胆材料常数A、B、C、n均可通过材料性能试验测试获得。

6.根据权利要求1所述的一种气瓶受外物撞击后的爆破强度评估方法，其特征在于，步骤S5和S7中，碳纤维复合材料的纤维轴向断裂应变ε_cf为材料参数，可通过材料性能试验测试获得。

7.根据权利要求1所述的一种气瓶受外物撞击后的爆破强度评估方法，其特征在于，步骤S6中，气瓶的内压为线性增加，即气瓶每次进行增压时，内压增量ΔP为固定值。