CN116100841A - 一种用于高压氢气瓶的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于高压氢气瓶的制备方法，属于高压气瓶技术领域，该方法包括：确定高压氢气瓶的内胆外轮廓曲线和纤维缠绕层的外轮廓曲线,进行高压氢气瓶的内胆外形轮廓设计；获取最优的缠绕角度以及通过四轴缠绕机得到推荐的缠绕角度；将得到的推荐的缠绕角度与最优的缠绕角度进行对比，根据对比结果多次调整相应的工艺参数，获取折中的纤维缠绕层的优化缠绕方案，执行纤维缠绕层的缠绕过程。本申请提供的方法能够在保证安全的条件下，用woundsim对高压氢气瓶进行仿真计算的迭代优化，在满足强度的要求下，尽可能合理的减少纤维使用量，起到优化设计、节约成本的目，同时，制备过程易于操作，设计人员只需具备有基本的数学力学知识即可掌握。
Description
技术领域
本发明涉及高压气瓶技术领域，尤其涉及一种用于高压氢气瓶的制备方法。
背景技术
目前常用于储存高压氢气的气瓶主要有两类：III-型和IV-型气瓶，III-型和IV-型瓶的内胆主要功能是阻止气体的泄漏，而承受压力载荷的能力则由缠绕的增强纤维层来承担，其中，III-型气瓶采用金属内胆，而IV-型气瓶的内胆是非金属的，常用热塑性的高密度聚乙烯或尼龙等来制成，内胆的外面用缠绕碳纤维或芳纶纤维，在这些缠绕的纤维外层常常还缠绕有玻璃纤维层，目的在于保护里面的碳纤维层，其对于承担载荷的作用相对较小，在做强度分析时常可以省略。
增强纤维层的纤维缠绕角度、缠绕厚度和缠绕张力的控制等是高压氢气瓶设计中的最重要的技术参数，现有技术中主要通过网络模型法、复合材料层板理论法、有限元仿真计算法和半解析-数值方法对III-型和IV-型氢气瓶进行纤维层缠绕设计，其中，网络模型法的缺点是：该方法是基于一系列的近似假设之上，例如所有的载荷均由纤维承担，不考虑纤维间的相互作用，不考虑层间剪应力的影响等，另外，该方法完全不考虑内胆对瓶内气压的承载作用，而对一些中低压的III-型气瓶而言，由于金属内胆可以承担一部分载荷，因此采用该方法进行纤维缠绕设计会产生较大的误差；复合材料层板理论法的缺点是：该方法形式比较复杂，需要输入较多的复合材料性能常数，并且有些需要输入的相关材料失效参数在实际中很难得到，此外，也不能精确地预测局部的应力状况，特别是不能用于气瓶弧顶部位的应力分析；有限元仿真计算法的缺点是：虽然可以对气瓶进行详细的应力分析，但是，由于在气瓶的弧顶的铺层中，纤维轨迹的方向和厚度在不同的位置是变化的，因此即使用通用的CAE软件，例如Abaqus,Ansys或Nastran等，但需要做特殊的近似的分区处理并建立相应的力学模型，这要求设计和强度分析人员需具备有很高的力学素养和建模技巧，结果的可靠性也常常取决于设计人员对问题的理解程度，很难作为一个标准的方法在工业设计中应用；半解析-数值方法的缺点是：虽然可以考虑非测地线缠绕的构型，在理论上更为严格，但是计算过程繁琐，常常需要计算复杂的非线性方程，并且模型中也包含有一些近似假定和许多难以实际确定的材料或工艺参数。
发明内容
本发明意在提供一种用于高压氢气瓶的制备方法，以解决现有技术中存在的不足，本发明要解决的技术问题通过以下技术方案来实现。
本发明提供的用于高压氢气瓶的制备方法，包括：
通过网络模型计算轴向缠绕在高压氢气瓶圆柱部分的纤维缠绕层厚度；
根据计算得到的轴向缠绕在高压氢气瓶圆柱部分的纤维缠绕层厚度，确定高压氢气瓶的内胆外轮廓曲线和纤维缠绕层的外轮廓曲线,进行高压氢气瓶的内胆外形轮廓设计；
将高压氢气瓶内胆上的纤维缠绕层作为正交各向异性的材料，通过多个参数对高压氢气瓶内胆上纤维缠绕层的弹性性质、热性质以及强度性质分别进行描述，并通过有限元法根据弹性性质、热性质以及强度性质对高压氢气瓶内胆上纤维缠绕层的应力和强度进行计算；
根据计算得到的纤维缠绕层的应力和强度获取最优的缠绕角度；
通过在四轴缠绕设备输入高压氢气瓶的几何特性信息、包括最优的缠绕角度的纤维缠绕层的缠绕特性信息以及缠绕设备的机头行程轨迹控制信息执行纤维缠绕层的缠绕过程；
四轴缠绕机在执行纤维缠绕层的缠绕过程中时，在给定相关的条件下，通过改变切点数来计算得到推荐的缠绕角度；
将得到的推荐的缠绕角度与最优的缠绕角度进行对比，在推荐的缠绕角度与最优的缠绕角度不一致时，多次调整相应的工艺参数，获取折中的纤维缠绕层的优化缠绕方案，并继续执行纤维缠绕层的缠绕过程。
在上述的方案中，所述根据计算得到的轴向缠绕在高压氢气瓶圆柱部分的纤维缠绕层厚度，确定高压氢气瓶的内胆外轮廓曲线和纤维缠绕层的外轮廓曲线,进行高压氢气瓶的内胆外形轮廓设计包括：
基于等伸张条件对高压氢气瓶的内胆弧顶部的纤维缠绕层中心线的曲线形状进行计算；
假设轴向缠绕角度固定，通过质量守恒原理以及计算得到的轴向缠绕在高压氢气瓶圆柱部分的纤维缠绕层厚度确定纤维缠绕层在高压氢气瓶内胆弧顶部各处的厚度值；
根据纤维缠绕层中心线的曲线形状和纤维缠绕层在高压氢气瓶内胆弧顶部各处的厚度值计算得到内胆外轮廓曲线和纤维缠绕层的外轮廓曲线。
在上述的方案中，所述通过网络模型计算轴向缠绕在高压氢气瓶圆柱部分的纤维缠绕层厚度包括：
假设纤维缠绕层沿着轴向和环向两个方向在高压氢气瓶的内胆进行缠绕，根据气瓶设计理论，计算在高压氢气瓶瓶内压力的作用下，高压氢气瓶壳体在轴向和环向单位长度上的力的轴向分量和环向分量；
根据轴向和环向的力平衡方程以及高压氢气瓶壳体在轴向和环向单位长度上的力的轴向分量和环向分量，获取纤维缠绕层在轴向和环向两个方向上的厚度计算公式；
根据纤维缠绕层在轴向和环向两个方向上的厚度计算公式获取各个类型的高压氢气瓶对应的内胆壳体厚度或者轴向以及环向缠绕在高压氢气瓶圆柱部分的纤维缠绕层的厚度。
在上述的方案中，所述根据纤维缠绕层在轴向和环向两个方向上的厚度计算公式获取各个类型的高压氢气瓶对应的内胆壳体厚度或者轴向以及环向缠绕在高压氢气瓶圆柱部分的纤维缠绕层的厚度包括：
令纤维缠绕层在轴向和环向两个方向上的厚度为0，根据纤维缠绕层在轴向和环向两个方向上的厚度计算公式计算I-型高压氢气瓶的内胆壳体厚度；
令纤维缠绕层在轴向的厚度为0，在环向方向上的缠绕角为90度，根据纤维缠绕层在轴向和环向两个方向上的厚度计算公式计算I I-型高压氢气瓶的内胆壳体厚度以及II-型高压氢气瓶对应的纤维缠绕层在环向上的厚度。
在上述的方案中，所述根据纤维缠绕层在轴向和环向两个方向上的厚度计算公式获取各个类型的高压氢气瓶对应的内胆壳体厚度或者轴向以及环向缠绕在高压氢气瓶圆柱部分的纤维缠绕层的厚度还包括：
根据纤维缠绕层在轴向和环向两个方向上的厚度计算公式计算I I I-型高压氢气瓶计算对应的纤维缠绕层在环向上的厚度和在轴向上的厚度；
令高压氢气瓶内胆在高压氢气瓶轴向和环向的平均应力为0，根据纤维缠绕层在轴向和环向两个方向上的厚度计算公式计算IV-型高压氢气瓶计算对应的纤维缠绕层在环向上的厚度和在轴向上的厚度。
在上述的方案中，所述通过多个参数对高压氢气瓶内胆上纤维缠绕层的弹性性质、热性质以及强度性质分别进行描述包括：
通过轴向以及环向上的杨氏模量、轴向以及环向上泊松比、轴向以及环向上剪切模量来描述高压氢气瓶内胆上纤维缠绕层的弹性性质。
在上述的方案中，所述通过多个参数对高压氢气瓶内胆上纤维缠绕层的弹性性质、热性质以及强度性质分别进行描述还包括：
通过轴向以及环向上的热膨胀系数来描述高压氢气瓶内胆上纤维缠绕层的热性质；
通过应力或应变破坏对应的应力失效或应变失效值来描述高压氢气瓶内胆上纤维缠绕层的强度性质。
在上述的方案中，所述高压氢气瓶的几何特性信息包括：芯模直径、筒体长度、封头高度和极孔直径。
在上述的方案中，所述纤维缠绕层的缠绕特性信息包括：线型安排、缠绕角度、缠绕层数、纱片宽度、切点数、附加停角、压纱规律和控制张力。
在上述的方案中，所述缠绕设备的机头行程轨迹控制信息包括：表面距离、丝嘴外宽、螺旋缠绕、环向缠绕、床头退出、环向过渡、小车位置、主轴位置、伸臂位置、反转位置和速度。
本发明实施例包括以下优点：
本发明实施例提供的一种用于高压氢气瓶的制备方法，通过确定高压氢气瓶的内胆外轮廓曲线和纤维缠绕层的外轮廓曲线,进行高压氢气瓶的内胆外形轮廓设计，并通过获取最优的缠绕角度以及通过四轴缠绕机得到推荐的缠绕角度，将得到的推荐的缠绕角度与最优的缠绕角度进行对比，根据对比结果多次调整相应的工艺参数，获取折中的纤维缠绕层的优化缠绕方案，执行纤维缠绕层的缠绕过程等，能够在保证安全的条件下，用woundsim对高压氢气瓶进行仿真计算的迭代优化，在满足强度的要求下，尽可能合理的减少纤维使用量，起到优化设计、节约成本的目的，同时，制备过程易于操作，设计人员只需具备有基本的数学力学知识即可掌握。
附图说明
图1是本发明的一种用于高压氢气瓶的制备方法实施例的步骤流程图。
图2是本发明的获取高压氢气瓶纤维缠绕层厚度的步骤流程图。
图3是本发明的纤维缠绕网络模型示意图。
图4是本发明的纤维缠绕层在轴向和环向上的平均应力示意图。
图5是本发明的高压氢气瓶的内胆外形轮廓设计的步骤流程图。
图6是本发明的高压氢气瓶的内胆弧顶部的示意图。
图7是本发明的高压氢气瓶的纤维缠绕层的外轮廓曲线图。
图8是本发明的四轴缠绕设备工艺界面示意图。
图9是本发明的III-型高压氢气瓶结构示意图。
图10是本发明的IV-型高压氢气瓶结构示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1所示，本发明提供一种用于高压氢气瓶的制备方法，包括：
步骤S1：通过网络模型计算轴向缠绕在高压氢气瓶圆柱部分的纤维缠绕层厚度。
如图2所示，步骤S1包括：
步骤S11：设纤维缠绕层沿着轴向和环向两个方向在高压氢气瓶的内胆进行缠绕，根据气瓶设计理论，计算在高压氢气瓶瓶内压力的作用下，高压氢气瓶壳体在轴向和环向单位长度上的力的轴向分量和环向分量；
步骤S12：根据轴向和环向的力平衡方程以及高压氢气瓶壳体在轴向和环向单位长度上的力的轴向分量和环向分量，获取纤维缠绕层在轴向和环向两个方向上的厚度计算公式；
步骤S13：根据纤维缠绕层在轴向和环向两个方向上的厚度计算公式获取各个类型的高压氢气瓶对应的内胆壳体厚度或者轴向以及环向缠绕在高压氢气瓶圆柱部分的纤维缠绕层的厚度。
如图3和图4所示，本发明采用的网络模型为纤维缠绕网络模型，高压氢气瓶由各向同性的金属或塑料内胆和外部缠绕的纤维缠绕层组成，设纤维缠绕层是沿着轴向和环向两个方向在高压氢气瓶的内胆进行缠绕，相应的缠绕角分别为α1和α2，根据气瓶设计理论，在高压氢气瓶瓶内压力为P的作用下，高压氢气瓶壳体承受的力在轴向和环向的单位长度上的力的轴向分量NZ和环向分量NH分别为：
NH＝PR0，其中，R0是高压氢气瓶的圆柱部分的半径。
进一步地，设高压氢气瓶的内胆厚度为tL，高压氢气瓶的纤维缠绕层在轴向的厚度为tα1，在环向的厚度为tα2，在薄壁假设下，高压氢气瓶在轴向和环向的力平衡方程可以写为：
其中，
和
分别是纤维缠绕层在轴向和环向两个方向上的平均应力，而
和
分别是高压氢气瓶内胆在气瓶轴向和环向两个方向上的平均应力；
根据以上平衡方程得到纤维缠绕层在轴向和环向两个方向上的厚度计算公式为：
进一步地，设高压氢气瓶内胆各处缠绕的纤维缠绕层的纤维是同一种材料，因此可以将
和
换成纤维的断裂强度
而对于内胆，由于在压力作用下，内胆壁面所受到的最大剪应力(τ)为：
因此对金属内胆而言，将
和
换成材料的剪切屈服强度
而对于塑料内胆将
和
取为0，因为塑料的强度相比纤维而言完全可以忽略，从而，将纤维缠绕层在轴向和环向两个方向上的厚度计算公式变为：
其中，内胆的厚度是一个设计参数，由设计人员根据材料的防气体泄漏能力和工艺条件等来确定。
由上述公式确定的纤维缠绕层是一个理论上的最小值，即纤维缠绕层在对应缠绕角为α1、-α1、α2以及-α2时最小的厚度，低于该厚度在公称压力下气瓶在理论上一定会破裂，在实际设计中，还要加上安全系数、纤维材料的分散度、在湿热环境下的纤维强度的劣化，以及材料长期的疲劳强度的修正等，因此在本发明的实际的纤维缠绕层厚度值要比上述公式计算出的要大。
进一步地，由于I-型高压氢气瓶是纯金属瓶，无纤维缠绕，令纤维缠绕层在轴向和环向两个方向上的厚度为0，即tα1＝0，tα2＝0，根据纤维缠绕层在轴向和环向两个方向上的厚度计算公式计算I-型高压氢气瓶的内胆壳体厚度，得到I-型高压氢气瓶的内胆壳体厚度为：
由于II-型高压氢气瓶是金属内胆加上环向纤维缠绕层，令纤维缠绕层在轴向的厚度为0，在环向方向上的缠绕角为90度，根据纤维缠绕层在轴向和环向两个方向上的厚度计算公式计算II-型高压氢气瓶的内胆壳体厚度以及II-型高压氢气瓶对应的纤维缠绕层在环向上的厚度，得到II-型高压氢气瓶的内胆壳体厚度为：
II-型高压氢气瓶对应的纤维缠绕层在环向上的厚度为：
在实际工艺过程中可取与纤维束带宽相匹配的可实现的缠绕角，例如ta2＝±88°；
由于III-型高压氢气瓶是金属内胆加上环向纤维缠绕层和轴向纤维缠绕层，根据纤维缠绕层在轴向和环向两个方向上的厚度计算公式计算III-型高压氢气瓶计算对应的纤维缠绕层在环向上的厚度和在轴向上的厚度；
由于IV-型高压氢气瓶为塑料内胆，完全不承受载荷，即载荷完全由缠绕的纤维缠绕层来承担，因此，令高压氢气瓶内胆在高压氢气瓶轴向和环向的平均应力为0，根据纤维缠绕层在轴向和环向两个方向上的厚度计算公式计算IV-型高压氢气瓶计算对应的纤维缠绕层在环向上的厚度和在轴向上的厚度，得到IV-型高压氢气瓶的纤维缠绕层在环向上的厚度和在轴向上的厚度分别为：
步骤S2：根据计算得到的轴向缠绕在高压氢气瓶圆柱部分的纤维缠绕层厚度，确定高压氢气瓶的内胆外轮廓曲线和纤维缠绕层的外轮廓曲线,进行高压氢气瓶的内胆外形轮廓设计。
如图5所示，步骤S2包括：
步骤S21：基于等伸张条件对高压氢气瓶的内胆弧顶部的纤维缠绕层中心线的曲线形状进行计算；
步骤S22：假设轴向缠绕角度固定，通过质量守恒原理以及计算得到的轴向缠绕在高压氢气瓶圆柱部分的纤维缠绕层厚度确定纤维缠绕层在高压氢气瓶内胆弧顶部各处的厚度值；
步骤S23：根据纤维缠绕层中心线的曲线形状和纤维缠绕层在高压氢气瓶内胆弧顶部各处的厚度值计算得到内胆外轮廓曲线和纤维缠绕层的外轮廓曲线。
如图6所示，纤维缠绕层的厚度在高压氢气瓶的内胆弧顶部是变化的，在轴向角度不变的情况下，越靠近瓶口颈部，纤维缠绕层的厚度越厚，并在瓶口颈部的边缘形成很厚的堆积，因此，通过等伸张条件得到为纤维缠绕层中心线的曲线形状，其表达式为：
假定设轴向缠绕角度是固定的，则利用质量守恒的原理可以确定纤维缠绕层厚度在弧顶部的变化规律，由于轴向缠绕在高压氢气瓶圆柱部分的纤维缠绕层厚度是不变化的，设为h0，而在弧顶部半径为r处，其厚度为h，则由质量守恒有：
即
如图7所示，A点是纤维缠绕层的内侧曲线的坐标，同时也是内胆的外侧曲线的坐标，根据其坐标值(rA,zA)可以求得：
其中，
由此，可以得到纤维缠绕层的内侧曲线，也即内胆的外轮廓曲线，因为两者是紧密贴合的。
进一步地，根据B点坐标(rB,zB)，得到：
由此可以得到纤维缠绕层的外轮廓曲线。
步骤S3：将高压氢气瓶内胆上的纤维缠绕层作为正交各向异性的材料，通过多个参数对高压氢气瓶内胆上纤维缠绕层的弹性性质、热性质以及强度性质分别进行描述，并通过有限元法根据弹性性质、热性质以及强度性质对高压氢气瓶内胆上纤维缠绕层的应力和强度进行计算。
在本实施例中，通过轴向以及环向上的杨氏模量、轴向以及环向上泊松比、轴向以及环向上剪切模量来描述高压氢气瓶内胆上纤维缠绕层的弹性性质；通过轴向以及环向上的热膨胀系数来描述高压氢气瓶内胆上纤维缠绕层的热性质；通过应力或应变破坏对应的应力失效或应变失效值来描述高压氢气瓶内胆上纤维缠绕层的强度性质。
在本实施例中，基于工业CAE软件Abaqus平台之上的、用于气瓶强度设计专业插件Wound Sim来根据弹性性质、热性质以及强度性质对高压氢气瓶内胆上纤维缠绕层的应力和强度进行计算，具体地，通过工业CAE软件常用的复合材料强度准则，例如Tsai-Wu准则、Tsai-Hill准则、最大应力准则等据弹性性质、热性质以及强度性质对高压氢气瓶内胆上纤维缠绕层的应力和强度进行计算，当有关纤维和内胆的疲劳特性，例如S-N曲线或ε-N曲线已知时，还可以对高压氢气瓶的疲劳性能进行评估。
步骤S4：根据计算得到的纤维缠绕层的应力和强度获取最优的缠绕角度。
步骤S5：通过在四轴缠绕设备输入高压氢气瓶的几何特性信息、包括最优的缠绕角度的纤维缠绕层的缠绕特性信息以及缠绕设备的机头行程轨迹控制信息执行纤维缠绕层的缠绕过程。
如图8所示，所述高压氢气瓶的几何特性信息包括：芯模直径、筒体长度、封头高度和极孔直径等；所述纤维缠绕层的缠绕特性信息包括：线型安排、缠绕角度、缠绕层数、纱片宽度、切点数、附加停角、压纱规律和控制张力等；所述缠绕设备的机头行程轨迹控制信息包括：表面距离、丝嘴外宽、螺旋缠绕、环向缠绕、床头退出、环向过渡、小车位置、主轴位置、伸臂位置、反转位置和速度等。
步骤S6：四轴缠绕机在执行纤维缠绕层的缠绕过程中时，在给定相关的条件下，通过改变切点数来计算得到推荐的缠绕角度。
步骤S7：将得到的推荐的缠绕角度与最优的缠绕角度进行对比，在推荐的缠绕角度与最优的缠绕角度不一致时，多次调整相应的工艺参数，获取折中的纤维缠绕层的优化缠绕方案，并继续执行纤维缠绕层的缠绕过程。
在本实施例中，获取最优的缠绕角度和四轴缠绕设备的工艺流程有时并不能完全匹配，此时则需在两者之间做迭代调整，找出折中的纤维缠绕的优化方案，例如，四轴缠绕设备一般不能进行非测地线缠绕，并且在给定的芯模直径、筒体长度、封头高度、纱线宽度和极孔直径条件下，设备本身会在几何约束条件下通过改变切点数来算出一个推荐的缠绕角度，但是该推荐的缠绕角度与最优的缠绕角度不一致，这时就需要调整相应的工艺参数，例如纱线宽度、切点数等，计算折中的纤维缠绕层的优化方案，有时根据接口和内胆的装配情况及局部的应力分析，还可能采用变轴向缠绕角的方式。
如图9和图10所示，在本发明的一个实施例中，通过制备工艺得到III-型高压氢气瓶和IV-型高压氢气瓶，其中，III-型高压氢气瓶和IV-型高压氢气瓶内胆主要几何参数如下表所示：
表1III-型高压氢气瓶和IV-型高压氢气瓶的内胆主要几何参数
在工艺过程中，III-型高压氢气瓶和IV-型高压氢气瓶内胆相关材料参数如下表所示：
表2III-型高压氢气瓶和IV-型高压氢气瓶内胆的相关材料参数
在工艺过程中，III-型高压氢气瓶和IV-型高压氢气瓶纤维缠绕层的相关信息如下表所示：
表3III-型高压氢气瓶和IV-型高压氢气瓶纤维缠绕层的相关信息
在工艺过程中，III-型高压氢气瓶和IV-型高压氢气瓶的工况条件及安全系数如下表所示：
表4III-型高压氢气瓶和IV-型高压氢气瓶的工况条件及安全系数
| III-型气瓶正常工作压力(MPa) | 35 |
| III-型气瓶安全系数(倍) | 2.25 |
| IV-型气瓶正常工作压力(MPa) | 70 |
| IV-型气瓶安全系数(倍) | 2.3 |
III-型高压氢气瓶的纤维缠绕层的缠绕过程具体步骤如下：
设轴向缠绕角为α1＝α，环向缠绕角α2＝90°；
根据气瓶的几何尺寸，计算在实际中可以实施的最大和最小轴向缠绕角{αmax,αmin}，αmax和αmin的具体计算公式如下：
其中，LT＝LC+hL+hR；
在{αmax,αmin}的范围内计算轴向和环向纤维缠绕层的厚度
和
与缠绕角度α之间的关系，从中得到最小的纤维缠绕层厚度
和
及相应的缠绕角度αopt,net；
以上述得到的基于网络模型计算出的
和
以及αopt,net作为初始的输入数据，用Wound Sim进行进一步的力学分析，具体操作如下：
将高压氢气瓶内胆上的纤维缠绕层作为正交各向异性的材料，通过多个参数对高压氢气瓶内胆上纤维缠绕层的弹性性质、热性质以及强度性质分别进行描述，并通过有限元法根据弹性性质、热性质以及强度性质对高压氢气瓶内胆上纤维缠绕层的应力和强度进行计算；
用前面网络模型初步计算得到的纤维缠绕层厚度除以单层纤维丝束的厚度，得到近似的铺层数；
用前面网络模型初步计算得到的纤维缠绕角和在前面步骤所得到的铺层厚度为基础，用Wound Sim进行精确的数值仿真，根据计算得到的纤维缠绕层的应力和强度，并通过优化计算得到最优的缠绕角度和厚度；
根据高压氢气瓶的几何形状，在四轴缠绕设备上通过工艺流程设置检查上面得到的理论上的最优的缠绕角度与四轴缠绕设备推荐的缠绕角度是否一致，如基本一致，则纤维缠绕层的缠绕设计完成，如不一致，则通过调整缠绕设备的缠绕工艺参数，例如切点数，以及近似调整极孔直径的大小，可以得到不同的工艺上实际可行的纤维缠绕角度，在这些角度中选取和理论值最接近那一个；
将上面得到的可在四轴缠绕设备上实现的纤维缠绕角度再次输入到Wound Sim中进行计算，因为该角度不是力学意义上的最优的纤维缠绕角度，因此纤维的铺层厚度需增加，这样，在Wound Sim中固定以上所述的纤维缠绕角度，仅对纤维铺层厚度进行优化计算，找出在该条件下的最佳铺设厚度从而完成气瓶的纤维缠绕设计。
通过以上步骤，得到的III-型高压氢气瓶的纤维缠绕厚度如下表所示：
表5III-型高压氢气瓶的纤维缠绕层厚度
| 铝内胆厚度(mm) | 5 |
| 纤维轴向角度(度)；厚度(mm) | ±5.2；7 |
| 纤维环向角度(度)；厚度(mm) | ±88.0；14 |
通过以上步骤，得到的III-型高压氢气瓶的强度如下表所示：
表6III-型高压氢气瓶的强度
| 纤维最大伸长率(％) | 1.53 |
| 纤维最大拉伸应力(MPa) | 2060 |
| Tsai-Hill准则 | 0.73 |
| Tsai-Wu准则 | 0.78 |
IV-型高压氢气瓶的制备过程具体步骤如下：
将纤维缠绕层在轴向和环向两个方向上的厚度计算公式中的
设置为0，因为此时塑料内胆完全不能承受载荷；
确定高压氢气瓶的内胆外轮廓曲线和纤维缠绕层的外轮廓曲线,进行高压氢气瓶的内胆外形轮廓设计，同时考虑在接口部工艺的实际要求，并做相应的调整；
设突破压力为70MPa，取IV-型气瓶的安全系数为2.3倍；
获取IV-型气瓶纤维缠绕设计方案，进行IV-型气瓶的纤维缠绕层缠绕。
通过以上步骤，得到的IV-型高压氢气瓶的纤维缠绕厚度如下表所示：
表7IV-型高压氢气瓶的纤维缠绕层厚度
| HDPE内胆厚度(mm) | 8 |
| 纤维轴向角度(度)；厚度(mm) | ±5.2；17.5 |
| 纤维环向角度(度)；厚度(mm) | ±88.0；30.5 |
应该指出，上述详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语均具有与本申请所属技术领域的普通技术人员的通常理解所相同的含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式。此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的术语在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位，如旋转90度或处于其他方位，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
在上面详细的说明中，参考了附图，附图形成本文的一部分。在附图中，类似的符号典型地确定类似的部件，除非上下文以其他方式指明。在详细的说明书、附图及权利要求书中所描述的图示说明的实施方案不意味是限制性的。在不脱离本文所呈现的主题的精神或范围下，其他实施方案可以被使用，并且可以作其他改变。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于高压氢气瓶的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
通过网络模型计算轴向缠绕在高压氢气瓶圆柱部分的纤维缠绕层厚度；
根据计算得到的轴向缠绕在高压氢气瓶圆柱部分的纤维缠绕层厚度，确定高压氢气瓶的内胆外轮廓曲线和纤维缠绕层的外轮廓曲线,进行高压氢气瓶的内胆外形轮廓设计；
将高压氢气瓶内胆上的纤维缠绕层作为正交各向异性的材料，通过多个参数对高压氢气瓶内胆上纤维缠绕层的弹性性质、热性质以及强度性质分别进行描述，并通过有限元法根据弹性性质、热性质以及强度性质对高压氢气瓶内胆上纤维缠绕层的应力和强度进行计算；
根据计算得到的纤维缠绕层的应力和强度获取最优的缠绕角度；
通过在四轴缠绕设备输入高压氢气瓶的几何特性信息、包括最优的缠绕角度的纤维缠绕层的缠绕特性信息以及缠绕设备的机头行程轨迹控制信息执行纤维缠绕层的缠绕过程；
四轴缠绕机在执行纤维缠绕层的缠绕过程中时，在给定相关的条件下，通过改变切点数来计算得到推荐的缠绕角度；
将得到的推荐的缠绕角度与最优的缠绕角度进行对比，在推荐的缠绕角度与最优的缠绕角度不一致时，多次调整相应的工艺参数，获取折中的纤维缠绕层的优化缠绕方案，并继续执行纤维缠绕层的缠绕过程。
2.根据权利要求1所述的一种用于高压氢气瓶的制备方法，其特征在于，所述根据计算得到的轴向缠绕在高压氢气瓶圆柱部分的纤维缠绕层厚度，确定高压氢气瓶的内胆外轮廓曲线和纤维缠绕层的外轮廓曲线,进行高压氢气瓶的内胆外形轮廓设计包括：
基于等伸张条件对高压氢气瓶的内胆弧顶部的纤维缠绕层中心线的曲线形状进行计算；
假设轴向缠绕角度固定，通过质量守恒原理以及计算得到的轴向缠绕在高压氢气瓶圆柱部分的纤维缠绕层厚度确定纤维缠绕层在高压氢气瓶内胆弧顶部各处的厚度值；
根据纤维缠绕层中心线的曲线形状和纤维缠绕层在高压氢气瓶内胆弧顶部各处的厚度值计算得到内胆外轮廓曲线和纤维缠绕层的外轮廓曲线，进行高压氢气瓶的内胆外形轮廓设计。
3.根据权利要求1所述的一种用于高压氢气瓶的制备方法，其特征在于，所述通过网络模型计算轴向缠绕在高压氢气瓶圆柱部分的纤维缠绕层厚度包括：
假设纤维缠绕层沿着轴向和环向两个方向在高压氢气瓶的内胆进行缠绕，根据气瓶设计理论，计算在高压氢气瓶瓶内压力的作用下，高压氢气瓶壳体在轴向和环向单位长度上的力的轴向分量和环向分量；
根据轴向和环向的力平衡方程以及高压氢气瓶壳体在轴向和环向单位长度上的力的轴向分量和环向分量，获取纤维缠绕层在轴向和环向两个方向上的厚度计算公式；
根据纤维缠绕层在轴向和环向两个方向上的厚度计算公式获取各个类型的高压氢气瓶对应的内胆壳体厚度或者轴向以及环向缠绕在高压氢气瓶圆柱部分的纤维缠绕层的厚度。
4.根据权利要求3所述的一种用于高压氢气瓶的制备方法，其特征在于，所述根据纤维缠绕层在轴向和环向两个方向上的厚度计算公式获取各个类型的高压氢气瓶对应的内胆壳体厚度或者轴向以及环向缠绕在高压氢气瓶圆柱部分的纤维缠绕层的厚度包括：
令纤维缠绕层在轴向和环向两个方向上的厚度为0，根据纤维缠绕层在轴向和环向两个方向上的厚度计算公式计算I-型高压氢气瓶的内胆壳体厚度；
令纤维缠绕层在轴向的厚度为0，在环向方向上的缠绕角为90度，根据纤维缠绕层在轴向和环向两个方向上的厚度计算公式计算II-型高压氢气瓶的内胆壳体厚度以及II-型高压氢气瓶对应的纤维缠绕层在环向上的厚度。
5.根据权利要求4所述的一种用于高压氢气瓶的制备方法，其特征在于，所述根据纤维缠绕层在轴向和环向两个方向上的厚度计算公式获取各个类型的高压氢气瓶对应的内胆壳体厚度或者轴向以及环向缠绕在高压氢气瓶圆柱部分的纤维缠绕层的厚度还包括：
根据纤维缠绕层在轴向和环向两个方向上的厚度计算公式计算I I I-型高压氢气瓶计算对应的纤维缠绕层在环向上的厚度和在轴向上的厚度；
令高压氢气瓶内胆在高压氢气瓶轴向和环向的平均应力为0，根据纤维缠绕层在轴向和环向两个方向上的厚度计算公式计算IV-型高压氢气瓶计算对应的纤维缠绕层在环向上的厚度和在轴向上的厚度。
6.根据权利要求1所述的一种用于高压氢气瓶的制备方法，其特征在于，所述通过多个参数对高压氢气瓶内胆上纤维缠绕层的弹性性质、热性质以及强度性质分别进行描述包括：
通过轴向以及环向上的杨氏模量、轴向以及环向上泊松比、轴向以及环向上剪切模量来描述高压氢气瓶内胆上纤维缠绕层的弹性性质。
7.根据权利要求6所述的一种用于高压氢气瓶的制备方法，其特征在于，所述通过多个参数对高压氢气瓶内胆上纤维缠绕层的弹性性质、热性质以及强度性质分别进行描述还包括：
通过轴向以及环向上的热膨胀系数来描述高压氢气瓶内胆上纤维缠绕层的热性质；
通过应力或应变破坏对应的应力失效或应变失效值来描述高压氢气瓶内胆上纤维缠绕层的强度性质。
8.根据权利要求1所述的一种用于高压氢气瓶的制备方法，所述高压氢气瓶的几何特性信息包括：芯模直径、筒体长度、封头高度和极孔直径。
9.根据权利要求8所述的一种用于高压氢气瓶的制备方法，所述纤维缠绕层的缠绕特性信息包括：线型安排、缠绕角度、缠绕层数、纱片宽度、切点数、附加停角、压纱规律和控制张力。
10.根据权利要求9所述的一种用于高压氢气瓶的制备方法，所述缠绕设备的机头行程轨迹控制信息包括：表面距离、丝嘴外宽、螺旋缠绕、环向缠绕、床头退出、环向过渡、小车位置、主轴位置、伸臂位置、反转位置和速度。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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