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

背景技術(shù)：

1、復合材料碳纖維纏繞儲氫氣瓶由外表面的碳纖維復合纏繞層和內(nèi)膽金屬材料組成。外表面采用了高比強度的碳纖維復合材料纏繞層，具有承載能力強、質(zhì)量輕、抗疲勞性能強等優(yōu)點。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。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)設計使用年限對氣瓶的壽命進行設定，但缺少具體的充裝循環(huán)次數(shù)，因此需要對設計生產(chǎn)的纏繞氣瓶進行疲勞壽命評估。

2、復合材料碳纖維全纏繞管束儲氫氣瓶生產(chǎn)過程中，會預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，同時拉緊碳纖維，使其處于碳纖維處于高應力狀態(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)膽材料施加較大預應力，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測是通過水壓循環(huán)測試進行的，通過實驗雖然可靠性高、具有說服力，但是耗時長且成本高；少數(shù)采用有限元分析來計算氣瓶疲勞壽命的方法，并未考慮預變形對于氣瓶內(nèi)膽材料的抗拉強度和疲勞性能的影響，限制了計算結(jié)果的準確度。

技術(shù)實現(xiàn)思路

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

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

3、s1：對鋁合金拉伸試樣進行預制應力，然后卸載，再進行拉伸試驗，獲得應力應變曲線、彈性模量、屈服強度；

4、s2：對鋁合金疲勞試樣進行預制應力，然后表面處理，再進行應變控制疲勞試樣，獲得帶有預變形影響的鋁合金s-n曲線；

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

6、s4：在有限元中輸入預制應力后內(nèi)膽材料和復合纏繞層的屬性參數(shù)；建立內(nèi)膽有限元模型和復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，進行有限元計算；

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：重復一定周次的循環(huán)載荷分析步；

11、s6：查看計算結(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)膽應變最大處節(jié)點視為危險點，輸出該點各方向應變數(shù)據(jù)；

12、s7：根據(jù)輸出的方向應變，計算等效應變；

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力幅；

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

15、進一步地，s4中，復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、進一步地，s4中，復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、進一步地，s4中，內(nèi)膽有限元模型和復合纏繞層有限元模型兩部分連接方式采用綁定連接。

18、進一步地，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，實現(xiàn)碳纖維在封頭處變角度、變厚度、變位置。

19、進一步地，s4中，根據(jù)實際生產(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合材料層有限元模型。

20、進一步地，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、進一步地，s5中，有限元計算的步驟如下：

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：重復一定周次的循環(huán)載荷分析步。

25、進一步地，s7中，等效應變的一半乘彈性模量即為等效應力幅，計算方法如下：

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下的等效應變范圍；

35、δεxi-循環(huán)類型i下的x向應變；

36、δεyi-循環(huán)類型i下的y向應變；

37、δεzi-循環(huán)類型i下的z向應變；

38、δγxyi、δγyzi、δγzxi-循環(huán)類型i下剪應變。

39、進一步地，s8中，戈貝爾方程如下所示：

40、

41、式中，

42、sf'為平均應力不為0的等效應力幅；

43、sf為平均應力為0的等效應力幅；

44、sm為平均應力；

45、su為抗拉強度。

46、本發(fā)明的技術(shù)方案建立了考慮預變形影響的的ⅲ型氣瓶疲勞壽命預測方法，充分考慮預變形對氣瓶內(nèi)膽材料的抗拉強度和疲勞性能的影響，提高了計算結(jié)果的準確度。本發(fā)明可以更準確地預測iii型氣瓶在預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.考慮預變形的大容量管束式全纏繞復合氫瓶壽命預測方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的考慮預變形的大容量管束式全纏繞復合氫瓶壽命預測方法，其特征在于，s4中，復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所述的考慮預變形的大容量管束式全纏繞復合氫瓶壽命預測方法，其特征在于，s4中，復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所述的考慮預變形的大容量管束式全纏繞復合氫瓶壽命預測方法，其特征在于，s4中，內(nèi)膽有限元模型和復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所述的考慮預變形的大容量管束式全纏繞復合氫瓶壽命預測方法，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所述的考慮預變形的大容量管束式全纏繞復合氫瓶壽命預測方法，其特征在于，s4中，根據(jù)實際生產(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所述的考慮預變形的大容量管束式全纏繞復合氫瓶壽命預測方法，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所述的考慮預變形的大容量管束式全纏繞復合氫瓶壽命預測方法，其特征在于，s5中，有限元計算的步驟如下：

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

10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的考慮預變形的大容量管束式全纏繞復合氫瓶壽命預測方法，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變形的大容量管束式全纏繞復合氫瓶壽命預測方法，充分考慮預變形對氣瓶內(nèi)膽材料的抗拉強度和疲勞性能的影響，提高了計算結(jié)果的準確度。本發(fā)明對內(nèi)膽鋁合金材料拉伸試樣進行預制應力后卸載，最后進行拉伸試驗，獲得應力應變曲線；對疲勞試樣預制應力，經(jīng)表面處理后，進行應變控制疲勞試樣，獲得帶有預變形影響的鋁合金S?N曲線；基于預制應力后的真實應力應變曲線，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)膽材料危險點的各個方向的應變，計算等效應力幅和平均應力修正；根據(jù)修正后等效應力幅和含預變形的鋁合金S?N曲線，計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
受保護的技術(shù)使用者：上海市特種設備監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/26