本發(fā)明涉及壓力容器安全，尤其是涉及一種考慮預(yù)變形的大容量管束式全纏繞復(fù)合氫瓶壽命預(yù)測方法。

背景技術(shù)：

1、復(fù)合材料碳纖維纏繞儲氫氣瓶由外表面的碳纖維復(fù)合纏繞層和內(nèi)膽金屬材料組成。外表面采用了高比強(qiáng)度的碳纖維復(fù)合材料纏繞層，具有承載能力強(qiáng)、質(zhì)量輕、抗疲勞性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。氣瓶內(nèi)膽采用鋁合金，具有優(yōu)良的加工性能、良好的耐腐蝕性、高韌性、加工后不變形、材料致密無缺陷等優(yōu)點(diǎn)。纏繞氣瓶在充放氣的過程中，會對金屬內(nèi)膽施加交變載荷，產(chǎn)生疲勞損傷，從而限制了氣瓶的使用壽命。為了保證服役過程中的安全可靠性，目前根據(jù)設(shè)計(jì)使用年限對氣瓶的壽命進(jìn)行設(shè)定，但缺少具體的充裝循環(huán)次數(shù)，因此需要對設(shè)計(jì)生產(chǎn)的纏繞氣瓶進(jìn)行疲勞壽命評估。

2、復(fù)合材料碳纖維全纏繞管束儲氫氣瓶生產(chǎn)過程中，會預(yù)先對氣瓶加載較大的載荷，然后卸載，使得鋁合金內(nèi)膽和碳纖維纏繞層緊密貼合，同時(shí)拉緊碳纖維，使其處于碳纖維處于高應(yīng)力狀態(tài)，以提高氣瓶的承載能力。這一道生產(chǎn)工序稱為自緊工藝。然而該工藝會對內(nèi)膽材料施加較大預(yù)應(yīng)力，暨使氣瓶發(fā)生較大量變形，從而使得材料的拉伸和疲勞性能發(fā)生改變。

3、目前現(xiàn)有的技術(shù)中，絕大多數(shù)的碳纖維纏繞儲氣瓶的疲勞壽命預(yù)測是通過水壓循環(huán)測試進(jìn)行的，通過實(shí)驗(yàn)雖然可靠性高、具有說服力，但是耗時(shí)長且成本高；少數(shù)采用有限元分析來計(jì)算氣瓶疲勞壽命的方法，并未考慮預(yù)變形對于氣瓶內(nèi)膽材料的抗拉強(qiáng)度和疲勞性能的影響，限制了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種考慮預(yù)變形的大容量管束式全纏繞復(fù)合氫瓶壽命預(yù)測方法，通過預(yù)變形來模擬實(shí)際工作環(huán)境中材料的性能變化，并使用這些數(shù)據(jù)來預(yù)測氣瓶的疲勞壽命，可以顯著提高對氣瓶疲勞壽命的預(yù)測準(zhǔn)確度，。

2、根據(jù)本發(fā)明的一個目的，本發(fā)明提供一種考慮預(yù)變形的大容量管束式全纏繞復(fù)合氫瓶壽命預(yù)測方法，包括以下步驟：

3、s1：對鋁合金拉伸試樣進(jìn)行預(yù)制應(yīng)力，然后卸載，再進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，獲得應(yīng)力應(yīng)變曲線、彈性模量、屈服強(qiáng)度；

4、s2：對鋁合金疲勞試樣進(jìn)行預(yù)制應(yīng)力，然后表面處理，再進(jìn)行應(yīng)變控制疲勞試樣，獲得帶有預(yù)變形影響的鋁合金s-n曲線；

5、s3：獲得碳纖維復(fù)合材料層的工程常數(shù)和破壞應(yīng)力材料參數(shù)；

6、s4：在有限元中輸入預(yù)制應(yīng)力后內(nèi)膽材料和復(fù)合纏繞層的屬性參數(shù)；建立內(nèi)膽有限元模型和復(fù)合纏繞層有限元模型，劃分網(wǎng)格，施加邊界條件和平衡面載荷；

7、s5：對氣瓶內(nèi)部按分析步施加載荷，進(jìn)行有限元計(jì)算；

8、s501：對有限元模型的分析步1施加循環(huán)載荷下限(一般為2mpa)；

9、s502：對有限元模型的分析步2施加1.25倍工作壓力(許用壓力)循環(huán)載荷上限；

10、s503：重復(fù)一定周次的循環(huán)載荷分析步；

11、s6：查看計(jì)算結(jié)果是否趨于穩(wěn)定，將1.25倍工作壓力循環(huán)載荷上限下，內(nèi)膽應(yīng)變最大處節(jié)點(diǎn)視為危險(xiǎn)點(diǎn)，輸出該點(diǎn)各方向應(yīng)變數(shù)據(jù)；

12、s7：根據(jù)輸出的方向應(yīng)變，計(jì)算等效應(yīng)變；

13、s8：由于氣瓶收到的交變載荷平均值不為0，因此利用戈貝爾方程修正等效應(yīng)力幅；

14、s9：利用計(jì)算出來的等效應(yīng)力幅，對照帶有預(yù)變形影響的材料s-n曲線，即得到考慮預(yù)變形影響的纏繞氣瓶的疲勞壽命。

15、進(jìn)一步地，s4中，復(fù)合纏繞層有限元模型根據(jù)纏繞層厚度、纏繞角度和纏繞次序建立。

16、進(jìn)一步地，s4中，復(fù)合纏繞層有限元模型需考慮纏繞層在封頭處纏繞角度、厚度和纏繞起始位置的變化。

17、進(jìn)一步地，s4中，內(nèi)膽有限元模型和復(fù)合纏繞層有限元模型兩部分連接方式采用綁定連接。

18、進(jìn)一步地，s4中，利用abaqus-wcm插件或ansys-acp模塊建立碳纖維纏繞氣瓶有限元模型，實(shí)現(xiàn)碳纖維在封頭處變角度、變厚度、變位置。

19、進(jìn)一步地，s4中，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)過程中的生產(chǎn)工藝，按照纏繞層厚度、纏繞起始終止位置、纏繞角度和纏繞次序，逐層建立碳纖維纏繞復(fù)合材料層有限元模型。

20、進(jìn)一步地，s4中，下瓶口完全固定，上瓶口施加隨內(nèi)壓變化的平衡面載荷，氣瓶兩側(cè)施加循環(huán)對稱。

21、進(jìn)一步地，s5中，有限元計(jì)算的步驟如下：

22、s501：對有限元模型的分析步1施加循環(huán)載荷下限(一般為2mpa)；

23、s502：對有限元模型的分析步2施加1.25倍工作壓力(許用壓力)循環(huán)載荷上限；

24、s503：重復(fù)一定周次的循環(huán)載荷分析步。

25、進(jìn)一步地，s7中，等效應(yīng)變的一半乘彈性模量即為等效應(yīng)力幅，計(jì)算方法如下：

26、δεxi＝εxi-εxo；

27、δεyi＝εyi-εyo；

28、δεzi＝εzi-εzo；

29、δγxyi＝γxyi-γxyo；

30、δγyzi＝γyzi-γyzo；

31、δγzxi＝γzxi-γzxo；

32、式中，

33、v*-為材料的泊松比；

34、δεequiv,i-循環(huán)類型i下的等效應(yīng)變范圍；

35、δεxi-循環(huán)類型i下的x向應(yīng)變；

36、δεyi-循環(huán)類型i下的y向應(yīng)變；

37、δεzi-循環(huán)類型i下的z向應(yīng)變；

38、δγxyi、δγyzi、δγzxi-循環(huán)類型i下剪應(yīng)變。

39、進(jìn)一步地，s8中，戈貝爾方程如下所示：

40、

41、式中，

42、sf'為平均應(yīng)力不為0的等效應(yīng)力幅；

43、sf為平均應(yīng)力為0的等效應(yīng)力幅；

44、sm為平均應(yīng)力；

45、su為抗拉強(qiáng)度。

46、本發(fā)明的技術(shù)方案建立了考慮預(yù)變形影響的的ⅲ型氣瓶疲勞壽命預(yù)測方法，充分考慮預(yù)變形對氣瓶內(nèi)膽材料的抗拉強(qiáng)度和疲勞性能的影響，提高了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度。本發(fā)明可以更準(zhǔn)確地預(yù)測iii型氣瓶在預(yù)變形影響下的疲勞壽命，對于提高氣瓶的可靠性和安全性具有重要意義。

技術(shù)特征：

1.考慮預(yù)變形的大容量管束式全纏繞復(fù)合氫瓶壽命預(yù)測方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的考慮預(yù)變形的大容量管束式全纏繞復(fù)合氫瓶壽命預(yù)測方法，其特征在于，s4中，復(fù)合纏繞層有限元模型根據(jù)纏繞層厚度、纏繞角度和纏繞次序建立。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的考慮預(yù)變形的大容量管束式全纏繞復(fù)合氫瓶壽命預(yù)測方法，其特征在于，s4中，復(fù)合纏繞層有限元模型需考慮纏繞層在封頭處纏繞角度、厚度和纏繞起始位置的變化。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的考慮預(yù)變形的大容量管束式全纏繞復(fù)合氫瓶壽命預(yù)測方法，其特征在于，s4中，內(nèi)膽有限元模型和復(fù)合纏繞層有限元模型兩部分連接方式采用綁定連接。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的考慮預(yù)變形的大容量管束式全纏繞復(fù)合氫瓶壽命預(yù)測方法，其特征在于，s4中，利用abaqus-wcm插件或ansys-acp模塊建立碳纖維纏繞氣瓶有限元模型，實(shí)現(xiàn)碳纖維在封頭處變角度、變厚度、變位置。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的考慮預(yù)變形的大容量管束式全纏繞復(fù)合氫瓶壽命預(yù)測方法，其特征在于，s4中，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)過程中的生產(chǎn)工藝，按照纏繞層厚度、纏繞起始終止位置、纏繞角度和纏繞次序，逐層建立碳纖維纏繞復(fù)合材料層有限元模型。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的考慮預(yù)變形的大容量管束式全纏繞復(fù)合氫瓶壽命預(yù)測方法，其特征在于，s4中，下瓶口完全固定，上瓶口施加隨內(nèi)壓變化的平衡面載荷，氣瓶兩側(cè)施加循環(huán)對稱。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的考慮預(yù)變形的大容量管束式全纏繞復(fù)合氫瓶壽命預(yù)測方法，其特征在于，s5中，有限元計(jì)算的步驟如下：

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的考慮預(yù)變形的大容量管束式全纏繞復(fù)合氫瓶壽命預(yù)測方法，其特征在于，s7中，等效應(yīng)變的一半乘彈性模量即為等效應(yīng)力幅，計(jì)算方法如下：

10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的考慮預(yù)變形的大容量管束式全纏繞復(fù)合氫瓶壽命預(yù)測方法，其特征在于，s8中，戈貝爾方程如下所示：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供了一種考慮預(yù)變形的大容量管束式全纏繞復(fù)合氫瓶壽命預(yù)測方法，充分考慮預(yù)變形對氣瓶內(nèi)膽材料的抗拉強(qiáng)度和疲勞性能的影響，提高了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度。本發(fā)明對內(nèi)膽鋁合金材料拉伸試樣進(jìn)行預(yù)制應(yīng)力后卸載，最后進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，獲得應(yīng)力應(yīng)變曲線；對疲勞試樣預(yù)制應(yīng)力，經(jīng)表面處理后，進(jìn)行應(yīng)變控制疲勞試樣，獲得帶有預(yù)變形影響的鋁合金S?N曲線；基于預(yù)制應(yīng)力后的真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線，建立氣瓶內(nèi)膽模型，基于氣瓶的纏繞方法和纏繞層厚度等，建立復(fù)合纏繞層模型；對有限元模型施加內(nèi)壓交變載荷，提取內(nèi)膽材料危險(xiǎn)點(diǎn)的各個方向的應(yīng)變，計(jì)算等效應(yīng)力幅和平均應(yīng)力修正；根據(jù)修正后等效應(yīng)力幅和含預(yù)變形的鋁合金S?N曲線，計(jì)算纏繞氣瓶的疲勞壽命。

技術(shù)研發(fā)人員：袁奕雯,邵振雄,宮建國,軒福貞,王潔璐,王少軍,宋盼,許金沙
受保護(hù)的技術(shù)使用者：上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/26