CN115392078A - 一种高压储氢气瓶封头扩孔缠绕设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压储氢气瓶封头扩孔缠绕设计方法，采用网格理论预计算筒段的螺旋缠绕角度及螺旋缠绕层、环向缠绕层厚度，根据网格理论预计算的结果并结合实际工艺经验调整缠绕层环向与纵向的压强比，给出满足爆破压力的扩孔缠绕铺层设计方案，然后将扩孔缠绕铺层设计方案导入至缠绕模拟软件中，确认缠绕的可行性，并根据封头处纤维堆积的情况进行铺层缠绕方案的调整，再将满足缠绕工艺的封头厚度及角度导出整理，进行复合材料有限元模型的建立，并进行爆破压力下的强度校验，反复修改缠绕设计，直到满足要求，最后将满足设计要求的缠绕方案输出为缠绕机可识别G代码。本发明具有能使封头缠绕满足爆破压力要求且能达到轻量化设计目的的优点。

Description

一种高压储氢气瓶封头扩孔缠绕设计方法

技术领域

本发明涉及复合材料压力容器技术领域，具体为一种高压储氢气瓶封头扩孔缠绕设计方法。

背景技术

纤维增强复合材料具有较高的比强度、比刚度和性能可设计等一系列的优点。目前，纤维缠绕压力容器经早期的全金属压力容器(I型)、环向纤维增强金属内衬压力容器(II型)、全纤维缠绕金属内衬压力容器(III型)到如今的全纤维缠绕塑料内衬压力容器(IV型)，增强纤维的使用使压力容器更好的满足了其“轻”和“可靠”的要求。

其中IV型气瓶主要由塑料内衬、金属接头、碳纤维缠绕层、外保护层以及密封结构组成。内衬不承受载荷，缠绕时可作为芯模和防止储存介质泄漏的作用。复合材料缠绕层是采用连续碳纤维浸渍树脂或预浸料单向带，按照铺层设计工艺缠绕在芯模上，然后通过加热固化而成。复合材料缠绕层作为主要承载，并为IV型气瓶提供强度，因此复合材料缠绕层的结构设计成为车载复合材料气瓶研制的重点与难点。

目前IV型高压储氢气瓶的设计和生产制造工艺并不够成熟，存在精度低、试验量大、成本浪费、设计效率低下、适用范围窄等缺点。虽然采用传统的网格理论或层板理论设计方法在筒段计算较为可靠，但很难准确计算封头处的缠绕角及缠绕层厚度，且与实际存在较大误差，会使封头出现缠绕厚度设计不足问题，导致爆破时封头位置先失效，从而造成安全隐患；或者封头处缠绕厚度设计过余，无法快速进行轻量化设计，造成材料的浪费。

发明内容

本发明的目的是提供一种能使封头缠绕满足爆破压力要求且能达到轻量化设计目的的高压储氢气瓶封头扩孔缠绕设计方法。

为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：一种高压储氢气瓶封头扩孔缠绕设计方法，包括以下步骤：

步骤(1)：根据碳纤维材料物理属性、设计爆破压力和内衬结构，采用网格理论预计算筒段的螺旋缠绕角度、螺旋缠绕层厚度、以及环向缠绕层厚度；

步骤(2)：根据步骤(1)得到的筒段螺旋缠绕角度、筒段螺旋缠绕层厚度、以及筒段环向缠绕层厚度计算出筒段螺旋缠绕层爆破压强、筒段环向缠绕层爆破压强、以及筒段环向缠绕层爆破压强与筒段螺旋缠绕层爆破压强的爆破压强比η；

步骤(3)：判断步骤(2)得到的爆破压强比η是否满足0.6≤η≤0.7，如果不满足，则跳转执行步骤(4)；如果满足，则跳转执行步骤(5)；

步骤(4)：重新调整筒段螺旋缠绕层厚度与筒段环向缠绕层厚度，并根据调整后的筒段螺旋缠绕层厚度与筒段环向缠绕层厚度采用网格理论重新预计算出调整后的筒段螺旋缠绕层爆破压强、筒段环向缠绕层爆破压强、以及筒段环向缠绕层爆破压强与筒段螺旋缠绕层爆破压强的爆破压强比η，判断调整后的爆破压强比η是否满足0.6≤η≤0.7，如果不满足，则重复步骤(4)，如果满足，则跳转执行步骤(5)；

步骤(5)：根据网格理论预计算出的符合爆破压强比要求的筒段螺旋缠绕层厚度及筒段环向缠绕层厚度，对气瓶封头进行扩孔缠绕铺层方案设计；

步骤(6)：根据气瓶封头扩孔缠绕铺层方案，采用缠绕模拟软件进行缠绕合理性分析并计算输出封头平行圆处所对应的复合材料厚度及缠绕角度；

步骤(7)：将步骤(6)得到的计算结果导入建模软件中进行复合材料的有限元建模；

步骤(8)：根据步骤(7)中所建立的复合材料有限元模型进行有限元仿真计算并校核第一主应力σ，判断所计算出的第一主应力σ是否满足σ≤σ_b，σ_b为复合材料纤维方向的拉伸强度；如果不满足，则重新调整气瓶封头的扩孔缠绕铺层方案并跳转执行步骤(6)；如果满足，则输出缠绕机可识别G代码，进行实际缠绕。

进一步地，前述的一种高压储氢气瓶封头扩孔缠绕设计方法，其中：在步骤(1)中，用于网格理论预计算的碳纤维材料物理属性包括：碳纤维密度、碳纤维线密度、单束纱展纱后的带宽宽度、纤维体积含量、纤维发挥强度，复合材料纤维方向的拉伸强度。

进一步地，前述的一种高压储氢气瓶封头扩孔缠绕设计方法，其中：在步骤(1)中，螺旋缠绕角度根据测地线缠绕角度计算，具体计算公式如下：

其中，α₀为螺旋缠绕角度，r₀为极孔半径，R为内衬筒段半径。

进一步地，前述的一种高压储氢气瓶封头扩孔缠绕设计方法，其中：在步骤(1)中，筒段螺旋缠绕层厚度的具体计算公式如下：

其中，t_α为筒段螺旋缠绕层厚度，R为内衬筒段半径，P_b为设计爆破压力，σ_b为复合材料纤维方向的拉伸强度，K₁为螺旋缠绕纤维强度发挥系数，K1≦1，α₀为螺旋缠绕角度；

筒段环向缠绕层厚度的具体计算公式如下：

其中，t_θ为筒段环向缠绕层厚度，R为内衬筒段半径，P_b为设计爆破压力，σ_b为复合材料纤维方向的拉伸强度，K₂为环向缠绕纤维强度发挥系数，K2≧1，α₀为螺旋缠绕角度。

进一步地，前述的一种高压储氢气瓶封头扩孔缠绕设计方法，其中：在步骤(2)中，筒段螺旋缠绕层爆破压强的具体计算公式如下：

其中，P_total-纵向为筒段螺旋缠绕层爆破压强，t_α为筒段螺旋缠绕层厚度，σ_b为复合材料纤维方向的拉伸强度，α₀为螺旋缠绕角度，R为内衬筒段半径；

筒段环向缠绕层爆破压强的具体计算公式如下：

其中，P_total-环向为筒段环向缠绕层爆破压强，t_α为筒段螺旋缠绕层厚度，σ_b为复合材料纤维方向的拉伸强度，α₀为螺旋缠绕角度，R为内衬筒段半径，t_θ为筒段环向缠绕层厚度；

筒段环向缠绕层爆破压强与筒段螺旋缠绕层爆破压强的爆破压强比η的具体计算公式如下：

其中η为筒段环向缠绕层爆破压强与筒段螺旋缠绕层爆破压强的爆破压强比，P_total-环向为筒段环向缠绕层爆破压强，P_total-纵向为筒段螺旋缠绕层爆破压强。

进一步地，前述的一种高压储氢气瓶封头扩孔缠绕设计方法，其中：在步骤(5)中，可以校核气瓶封头扩孔缠绕铺层方案的爆破压强比η是否满足0.6≤η≤0.7，具体计算公式如下：

筒段缠绕层纵向爆破压强及环向压强；

P_{环向缠绕-纵向}＝0

P_total-纵向＝P_{螺旋缠绕-纵向}+P_{环向缠绕-纵向}

P_total-环向＝P_{螺旋缠绕-环向}+P_{环向缠绕-环向}

其中，M为扩孔次数，t_c为复合材料单层厚度，σ_b为复合材料纤维方向的拉伸强度，r₀+i2b为扩孔缠绕所对应极孔半径，R为内衬筒段半径，

为该扩孔缠绕方式的层数，b为纱束展纱后缠绕时所用的带宽宽度,N_θ为环向缠绕的总层数，η为爆破压强比。

进一步地，前述的一种高压储氢气瓶封头扩孔缠绕设计方法，其中：在步骤(5)中，气瓶封头扩孔缠绕铺层方案具体为：扩孔缠绕方式为2倍带宽的扩孔缠绕模式：初始纤维螺旋缠绕在极孔处与极孔圆相切，第一次纤维螺旋缠绕在极孔圆加2倍带宽处相切，第二次在极孔圆加4倍带宽处进行螺旋扩孔缠绕，直到第一行设计方案所有纤维螺旋扩孔缠绕结束后进行环向缠绕，同上方法依次进行所有行的纤维螺旋扩孔缠绕和环向缠绕。

进一步地，前述的一种高压储氢气瓶封头扩孔缠绕设计方法，其中：在步骤(8)中，用于仿真分析的复合材料物理性能包括：由于复合材料层可以看作是正交各向异性的单层薄板，即属于平面应力状态，只考虑单层面内应力，单层面上应力可忽略不计，所以其表达刚度性能的工程弹性常数只需测得E_x,E_y,v_xy,v_yz,G_xy的5个工程常数即可，又由于前四项存在如下关系式：

故实际需要测得的独立工程弹性常数为4个。

通过上述技术方案的实施，本发明的优点是：(1)采用网格理论预计算筒段的螺旋缠绕角度及螺旋缠绕层、环向缠绕层厚度，根据网格理论预计算的结果并结合实际工艺经验调整缠绕层环向与纵向的压强比，从而给出满足爆破压力要求的气瓶封头扩孔缠绕铺层设计方案，从而使气瓶封头缠绕满足爆破压力要求，提高了气瓶的安全性；(2)扩孔缠绕方法还可降低一直采用同一螺旋缠绕角度进行缠绕时极孔处纤维堆积的情况，从而减少高压储氢气瓶中复合材料的重量，达到轻量化设计的目的；(3)能准确计算封头处的缠绕角及缠绕层厚度，避免封头出现缠绕厚度设计不足情况的发生。

附图说明

图1为IV型复合材料储气瓶内衬结构。

图2为扩孔缠绕示意图。

图3为封头厚度计算方法对比示意图。

图4为扩孔缠绕方案所对应的封头厚度示意图。

图5为扩孔缠绕方案的复合材料有限元模型示意图。

图6为工作压力及爆破压力下复合材料层应力值示意图。

具体实施方式

一种高压储氢气瓶封头扩孔缠绕设计方法，包括以下步骤：

步骤(1)：根据碳纤维材料物理属性、设计爆破压力和内衬结构，采用网格理论预计算筒段的螺旋缠绕角度、螺旋缠绕层厚度、以及环向缠绕层厚度；

其中，用于网格理论预计算的碳纤维材料物理属性包括：碳纤维密度、碳纤维线密度、单束纱展纱后的带宽宽度、纤维体积含量、纤维发挥强度，复合材料纤维方向的拉伸强度；

其中，螺旋缠绕角度根据测地线缠绕角度计算，具体计算公式如下：

其中，α₀为螺旋缠绕角度，r₀为极孔半径，R为内衬筒段半径；

其中，筒段螺旋缠绕层厚度的具体计算公式如下：

其中，t_α为筒段螺旋缠绕层厚度，R为内衬筒段半径，P_b为设计爆破压力，σ_b为复合材料纤维方向的拉伸强度，K₁为螺旋缠绕纤维强度发挥系数，K₁≤1，α₀为螺旋缠绕角度；

筒段环向缠绕层厚度的具体计算公式如下：

其中，t_θ为筒段环向缠绕层厚度，R为内衬筒段半径，P_b为设计爆破压力，σ_b为复合材料纤维方向的拉伸强度，K₂为环向缠绕纤维强度发挥系数，K₂≧1，α₀为螺旋缠绕角度；

步骤(2)：根据步骤(1)得到的筒段螺旋缠绕角度、筒段螺旋缠绕层厚度、以及筒段环向缠绕层厚度计算出筒段螺旋缠绕层爆破压强、筒段环向缠绕层爆破压强、以及筒段环向缠绕层爆破压强与筒段螺旋缠绕层爆破压强的爆破压强比η；

其中，筒段螺旋缠绕层爆破压强的具体计算公式如下：

其中，P_total-纵向为筒段螺旋缠绕层爆破压强，t_α为筒段螺旋缠绕层厚度，σ_b为复合材料纤维方向的拉伸强度，α₀为螺旋缠绕角度，R为内衬筒段半径；

筒段环向缠绕层爆破压强的具体计算公式如下：

其中，P_total-环向为筒段环向缠绕层爆破压强，t_α为筒段螺旋缠绕层厚度，σ_b为复合材料纤维方向的拉伸强度，α₀为螺旋缠绕角度，R为内衬筒段半径，t_θ为筒段环向缠绕层厚度；

筒段环向缠绕层爆破压强与筒段螺旋缠绕层爆破压强的爆破压强比η的具体计算公式如下：

其中，η为筒段环向缠绕层爆破压强与筒段螺旋缠绕层爆破压强的爆破压强比，P_total-环向为筒段环向缠绕层爆破压强，P_total-纵向为筒段螺旋缠绕层爆破压强。

步骤(3)：判断步骤(2)得到的爆破压强比η是否满足0.6≤η≤0.7，如果不满足，则跳转执行步骤(4)；如果满足，则跳转执行步骤(5)；

步骤(4)：重新调整筒段螺旋缠绕层厚度与筒段环向缠绕层厚度，并根据调整后的调整筒段螺旋缠绕层厚度与筒段环向缠绕层厚度采用网格理论重新预计算出调整后的筒段螺旋缠绕层爆破压强、筒段环向缠绕层爆破压强、以及筒段环向缠绕层爆破压强与筒段螺旋缠绕层爆破压强的爆破压强比η，判断调整后的爆破压强比η是否满足0.6≤η≤0.7，如果不满足，则重复步骤(4)，如果满足，则跳转执行步骤(5)；

步骤(5)：根据网格理论预计算出的符合爆破压强比要求的筒段螺旋缠绕层厚度及筒段环向缠绕层厚度，对气瓶封头进行扩孔缠绕铺层方案设计；

其中，气瓶封头扩孔缠绕铺层方案具体为：扩孔缠绕方式为2倍带宽的扩孔缠绕模式：初始纤维螺旋缠绕在极孔处与极孔圆相切，第一次纤维螺旋缠绕在极孔圆加2倍带宽处相切，第二次在极孔圆加4倍带宽处进行扩孔缠绕，直到第一行设计方案所有纤维螺旋扩孔缠绕结束后进行环向缠绕，同上方法依次进行所有行的纤维螺旋扩孔缠绕和环向缠绕；

其中，可以校核气瓶封头扩孔缠绕铺层方案的爆破压强比η是否满足0.6≤η≤0.7，具体计算公式如下：

筒段缠绕层纵向爆破压强及环向压强；

P_{环向缠绕-纵向}＝0

P_total-纵向＝P_{螺旋缠绕-纵向}+P_{环向缠绕-纵向}

P_total-环向＝P_{螺旋缠绕-环向}+P_{环向缠绕-环向}

其中，M为扩孔次数，t_c为复合材料单层厚度，σ_b为复合材料纤维方向的拉伸强度，r₀+i2b为扩孔缠绕所对应极孔半径，R为内衬筒段半径，

为该扩孔缠绕方式的层数，b为纱束展纱后缠绕时所用的带宽宽度,N_θ为环向缠绕的总层数，η为爆破压强比；

步骤(6)：根据气瓶封头扩孔缠绕铺层方案，采用缠绕模拟软件进行缠绕合理性分析并计算输出封头平行圆处所对应的复合材料厚度及缠绕角度；

步骤(7)：将步骤(6)得到的计算结果导入建模软件中进行复合材料的有限元建模；

步骤(8)：根据步骤(7)中所建立的复合材料有限元模型进行有限元仿真计算并校核第一主应力σ，判断所计算出的第一主应力σ是否满足σ≤σ_b，σ_b为复合材料纤维方向的拉伸强度；如果不满足，则重新调整气瓶封头的扩孔缠绕铺层方案并跳转执行步骤(6)；如果满足，则输出缠绕机可识别G代码，进行实际缠绕；

其中，用于仿真分析的复合材料物理性能包括：由于复合材料层可以看作是正交各向异性的单层薄板，即属于平面应力状态，只考虑单层面内应力，单层面上应力可忽略不计，所以其表达刚度性能的工程弹性常数只需测得E_x,E_y,v_xy,v_yz,G_xy的5个工程常数即可，又由于前四项存在如下关系式：

故实际需要测得的独立工程弹性常数为4个。

下面以一具体实施例说明本发明的高压储氢气瓶封头扩孔缠绕设计方法，具体为：

01、本实例使用的碳纤维材料物理属性为：碳纤维密度为1.8g/cm³、碳纤维线密度为1.65g/m、单束纱展纱后的带宽宽度为5mm、根数为2，纤维体积含量为0.6，复合材料纤维方向的拉伸强度为2000MPa。

碳纤维的物理属性可由供应商提供，通过实际工艺中使用的树脂含量对复合材料物理属性进行计算，也可使用预浸料制成的单向复合材料层合板进行试验得到复合材料的物理属性及厚度。

02、本实例使用两端等极孔的IV型复合材料储气瓶内衬结构(如图1所示)，其极孔半径为32mm,筒段外径为175mm，筒段总长为700mm，封头长短轴比为1.6:1；

由于两端为等极孔结构，筒段的缠绕角度根据测地线缠绕角计算公式计算：

其中，α₀为螺旋缠绕角度，r₀为极孔半径，R为内衬筒段半径；

由于在均匀内压下，除局部存在弯曲和剪切应力外，气瓶主要承受薄膜内力，而树脂的极限拉伸强度远低于纤维，所以可看成完全由纤维构成的网格结构；

采用网格理论并根据IV型复合材料储气瓶内衬结构，预计算储氢气瓶达到设计爆破压强157.5MPa时筒段所需的螺旋缠绕层及环向缠绕层厚度，并根据复合材料单层的厚度估算螺旋缠绕及环向缠绕层数。

03、根据02中预计算的厚度计算出筒段螺旋缠绕层爆破压强、筒段环向缠绕层爆破压强、以及筒段环向缠绕层爆破压强与筒段螺旋缠绕层爆破压强的爆破压强比η；

由于气瓶封头处没有环向缠绕且由于缠绕张力、缠绕顺序导致螺旋缠绕层存在重叠架空等问题，使封头处纤维发挥强度低于试验测得的复丝强度，如完全按照02中预计算的厚度进行缠绕，会发生封头先于筒身段发生爆破的情况；所以根据工程经验，调整螺旋缠绕纤维强度发挥系数K₁及环向缠绕纤维强度发挥系数K₂，使压强比范围在0.65±0.5；其中，K₁≤1，K₂≧1；

04、根据03中的工程经验修改K₁,K₂后得到的筒段螺旋缠绕层厚度及筒段环向缠绕层厚度，对高压储氢气瓶进行扩孔缠绕设计；

扩孔缠绕方式(如图2所示)可以消除极孔处的纤维堆积、架空、孔隙所导致的纤维发挥强度降低等问题，同时还可以达到减轻复合材料储氢瓶重量的目的；

扩孔缠绕方案如下：

[±11° ±17° ±24° ±32° ±40° ±49° ±60° ±79°]₁；[90°]₈；

[±11° ±17° ±24° ±32° ±40° ±49° ±60° ±79°]₁；[90°]₈；

[±11° ±17° ±24° ±32° ±40° ±49° ±60°]₁；[90°]₈；

[±11° ±17° ±24° ±32° ±40° ±49°]₁；[90°]₈；

[±11° ±17° ±24° ±32° ±40°]₁；

用以下公式分别计算筒段缠绕层纵向爆破压强及环向压强

P_{环向缠绕-纵向}＝0MPa

P_total-纵向＝P_{环向缠绕-纵向}+P_{螺旋缠绕-纵向}＝0+316.37＝316.37MPa

P_total-环向＝P_{环向缠绕-环向}+P_{螺旋缠绕-环向}＝111.75+79.28＝191.03MPa

验证压强比范围在0.65±0.5之间，满足经验公式。

05由于封头处厚度、封头处缠绕角度随平行圆半径变化，且爆破试验时不断加压下封头处存在几何大变形，材料非线性，接触非线性，导致封头处的爆破强度用理论计算较为困难，目前常利用有限元仿真软件来进行强度的校核计算；而在有限元仿真计算中，如何对封头处的复合材料厚度进行精准的建模是一个难点，因为这会直接影响仿真计算的准确性；

目前针对封头处厚度的计算方法主要有：单公式、平面法、双公式等。

单公式：

其中，t_c为筒段复合材料单层缠绕厚度，R为筒段半径，r为平行圆半径，α₀为筒段螺旋缠绕角度。

平面法：

其中，T₀＝t₀/r₀，Y₀＝R/r₀，B＝b/r₀，Y＝r/r₀，均为无量纲数。

Y_w为

双公式法：

其中，b为纱束展纱后缠绕时所用的带宽宽度；

如图3所示，这些方法在远离极孔区域位置的厚度预测较为准确，但由于在缠绕期间存在滑移、架空、孔隙、纤维重新取向等问题，所以在距极孔1个带宽内范围的厚度预测结果与实际厚度值差别较大。

06、由于05中所述计算方法与实际有出入，为了更准确计算封头复合材料的强度，根据01中碳纤维增强复合材料属性；02中储氢气瓶结构尺寸，03中的扩孔缠绕铺层方案，采用缠绕模拟软件计算每层的厚度及缠绕角度，并导出每层的缠绕角度、厚度值，如图4所示；

07、根据06中每层的缠绕角度、厚度坐标值对复合材料逐层进行建模(如图5所示)，并计算是否满足实际工况下的强度(如图6所示)；

根据图6可以看出，在2.25倍的工作压力(157.5MPa)下，各扩孔螺旋缠绕层与环向缠绕层应力均小于复合材料拉伸强度2000MPa，当压力上升至2.5倍工作压力(175MPa)时，最内侧环向缠绕层超过复合材料拉伸强度2000MPa，发生失效。

08计算结果满足强度要求后，输出可供缠绕机缠绕的代码文件，进行实际的缠绕工艺。

本发明的优点是：(1)采用网格理论预计算筒段的螺旋缠绕角度及螺旋缠绕层、环向缠绕层厚度，根据网格理论预计算的结果并结合实际工艺经验调整缠绕层环向与纵向的压强比，从而给出满足爆破压力要求的气瓶封头扩孔缠绕铺层设计方案，从而使气瓶封头缠绕满足爆破压力要求，提高了气瓶的安全性；(2)扩孔缠绕方法还可降低一直采用同一螺旋缠绕角度进行缠绕时极孔处纤维堆积的情况，从而减少高压储氢气瓶中复合材料的重量，达到轻量化设计的目的；(3)能准确计算封头处的缠绕角及缠绕层厚度，避免封头出现缠绕厚度设计不足情况的发生。

Claims (8)

1.一种高压储氢气瓶封头扩孔缠绕设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤(1)：根据碳纤维材料物理属性、设计爆破压力和内衬结构，采用网格理论预计算筒段的螺旋缠绕角度、螺旋缠绕层厚度、以及环向缠绕层厚度；

步骤(2)：根据步骤(1)得到的筒段螺旋缠绕角度、筒段螺旋缠绕层厚度、以及筒段环向缠绕层厚度计算出筒段螺旋缠绕层爆破压强、筒段环向缠绕层爆破压强、以及筒段环向缠绕层爆破压强与筒段螺旋缠绕层爆破压强的爆破压强比η；

步骤(3)：判断步骤(2)得到的爆破压强比η是否满足0.6≤η≤0.7，如果不满足，则跳转执行步骤(4)；如果满足，则跳转执行步骤(5)；

步骤(4)：重新调整筒段螺旋缠绕层厚度与筒段环向缠绕层厚度，并根据调整后的筒段螺旋缠绕层厚度与筒段环向缠绕层厚度采用网格理论重新预计算出调整后的筒段螺旋缠绕层爆破压强、筒段环向缠绕层爆破压强、以及筒段环向缠绕层爆破压强与筒段螺旋缠绕层爆破压强的爆破压强比η，判断调整后的爆破压强比η是否满足0.6≤η≤0.7，如果不满足，则重复步骤(4)，如果满足，则跳转执行步骤(5)；

步骤(5)：根据网格理论预计算出的符合爆破压强比要求的筒段螺旋缠绕层厚度及筒段环向缠绕层厚度，对气瓶封头进行扩孔缠绕铺层方案设计；

步骤(6)：根据气瓶封头扩孔缠绕铺层方案，采用缠绕模拟软件进行缠绕合理性分析并计算输出封头平行圆处所对应的复合材料厚度及缠绕角度；

步骤(7)：将步骤(6)得到的计算结果导入建模软件中进行复合材料的有限元建模；

步骤(8)：根据步骤(7)中所建立的复合材料有限元模型进行有限元仿真计算并校核第一主应力σ，判断所计算出的第一主应力σ是否满足σ≤σ_b，σ_b为复合材料纤维方向的拉伸强度；如果不满足，则重新调整气瓶封头的扩孔缠绕铺层方案并跳转执行步骤(6)；如果满足，则输出缠绕机可识别G代码，进行实际缠绕。

2.根据权利要求1所述的一种高压储氢气瓶封头扩孔缠绕设计方法，其特征在于：在步骤(1)中，用于网格理论预计算的碳纤维材料物理属性包括：碳纤维密度、碳纤维线密度、单束纱展纱后的带宽宽度、纤维体积含量、纤维发挥强度，复合材料纤维方向的拉伸强度。

3.根据根据权利要求1所述的一种高压储氢气瓶封头扩孔缠绕设计方法，其特征在于：在步骤(1)中，螺旋缠绕角度根据测地线缠绕角度计算，具体计算公式如下：

其中，α₀为螺旋缠绕角度，r₀为极孔半径，R为内衬筒段半径。

4.根据根据权利要求3所述的一种高压储氢气瓶封头扩孔缠绕设计方法，其特征在于：在步骤(1)中，筒段螺旋缠绕层厚度的具体计算公式如下：

其中，t_α为筒段螺旋缠绕层厚度，R为内衬筒段半径，P_b为设计爆破压力，σ_b为复合材料纤维方向的拉伸强度，K₁为螺旋缠绕纤维强度发挥系数，K₁≤1，α₀为螺旋缠绕角度；

筒段环向缠绕层厚度的具体计算公式如下：

其中，t_θ为筒段环向缠绕层厚度，R为内衬筒段半径，P_b为设计爆破压力，σ_b为复合材料纤维方向的拉伸强度，K₂为环向缠绕纤维强度发挥系数，K₂≧1，α₀为螺旋缠绕角度。

5.根据权利要求1所述的一种高压储氢气瓶封头扩孔缠绕设计方法，其特征在于：在步骤(2)中，筒段螺旋缠绕层爆破压强的具体计算公式如下：

其中，P_total-纵向为筒段螺旋缠绕层爆破压强，t_α为筒段螺旋缠绕层厚度，σ_b为复合材料纤维方向的拉伸强度，α₀为螺旋缠绕角度，R为内衬筒段半径；

筒段环向缠绕层爆破压强的具体计算公式如下：

其中，P_total-环向为筒段环向缠绕层爆破压强，t_α为筒段螺旋缠绕层厚度，σ_b为复合材料纤维方向的拉伸强度，α₀为螺旋缠绕角度，R为内衬筒段半径，t_θ为筒段环向缠绕层厚度；

筒段环向缠绕层爆破压强与筒段螺旋缠绕层爆破压强的爆破压强比η的具体计算公式如下：

其中η为筒段环向缠绕层爆破压强与筒段螺旋缠绕层爆破压强的爆破压强比，p_total-环向为筒段环向缠绕层爆破压强，P_total-纵向为筒段螺旋缠绕层爆破压强。

6.根据权利要求1所述的一种高压储氢气瓶封头扩孔缠绕设计方法，其特征在于：在步骤(5)中，可以校核气瓶封头扩孔缠绕铺层方案的爆破压强比η是否满足0.6≤η≤0.7，具体计算公式如下：

筒段缠绕层纵向爆破压强及环向压强；

P_{环向缠绕-纵向}＝0

P_total-纵向＝P_{螺旋缠绕-纵向}+P_{环向缠绕-纵向}

p_total-环向＝P_{螺旋缠绕-环向}+P_{环向缠绕-环向}

其中，M为扩孔次数，t_c为复合材料单层厚度，σ_b为复合材料纤维方向的拉伸强度，r₀+i2b为扩孔缠绕所对应极孔半径，R为内衬筒段半径，

为该扩孔缠绕方式的层数，b为纱束展纱后缠绕时所用的带宽宽度,N_θ为环向缠绕的总层数，η为爆破压强比。

7.根据权利要求1所述的一种高压储氢气瓶封头扩孔缠绕设计方法，其特征在于：在步骤(5)中，气瓶封头扩孔缠绕铺层方案具体为：扩孔缠绕方式为2倍带宽的扩孔缠绕模式：初始纤维螺旋缠绕在极孔处与极孔圆相切，第一次纤维螺旋扩孔缠绕在极孔圆加2倍带宽处相切，第二次在极孔圆加4倍带宽处进行螺旋扩孔缠绕，直到第一行设计方案所有纤维螺旋扩孔缠绕结束后进行环向缠绕，同上方法依次进行所有行的纤维螺旋扩孔缠绕和环向缠绕。

8.根据权利要求1所述的一种高压储氢气瓶封头扩孔缠绕设计方法，其特征在于：在步骤(8)中，用于仿真分析的复合材料物理性能包括：由于复合材料层可以看作是正交各向异性的单层薄板，即属于平面应力状态，只考虑单层面内应力，单层面上应力可忽略不计，所以其表达刚度性能的工程弹性常数只需测得E_x,E_y,v_xy,v_yz,G_xy的5个工程常数即可，又由于前四项存在如下关系式：

故实际需要测得的独立工程弹性常数为4个。

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