一种封头-筒身一体化纤维缠绕复合材料气瓶的设计方法

摘要

本发明涉及一种封头-筒身一体化纤维缠绕复合材料气瓶的设计方法，该复合材料气瓶可用于火箭及导弹高压气瓶、车载天然气存储压力容器等。本发明可以实现复合材料高压气瓶缠绕铺层快速与优化设计，减少甚至避免气瓶设计、分析与验证的反复性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种封头-筒身一体化纤维缠绕复合材料气瓶的设计方法，该复 合材料气瓶可用于火箭及导弹高压气瓶、车载天然气存储压力容器等。

背景技术

目前，国外在运载火箭、导弹、汽车、军用飞机等方面已广泛应用了复合 材料气瓶，而我国在飞运载火箭增压装置均采用金属气瓶。同金属气瓶相比， 纤维缠绕复合材料高压气瓶具有“泄漏先于爆破”的失效模式，重量轻，结构效率 高，耐腐蚀性好等特点，较同规格同压力等级的钛合金气瓶在弹（箭）体结构 上减重的效果显著提高，是一种比较理想的轻质高压容器，用其代替全金属压 力容器已经成为航天航空领域气瓶发展的一种趋势。

目前，国内外广泛采用网格理论进行气瓶的筒身段纤维缠绕铺层设计，由 于筒身段即包含环向纤维又包含螺旋向缠绕纤维，因此封头段的铺层顺序与角 度完全取决于筒身段的螺旋向缠绕纤维。采用上述设计方法，往往出现封头爆 破强度不满足设计指标的情况，因此需要反复修改筒身缠绕铺层设计才能使封 头段爆破强度满足设计要求。基于上述分析，在网格设计理论的基础上，本发 明提出一种封头-筒身纤维缠绕铺层联合设计方法，以实现复合材料气瓶缠绕铺 层的快速与优化设计。

发明内容

本发明的目的是提出一种封头-筒身一体化纤维缠绕复合材料气瓶的设计方 法，该方法可以实现复合材料气瓶缠绕的快速与优化设计。

本发明是通过以下技术方案实现的，具体步骤为：

第一步：复合材料气瓶的设计要求为复合材料气瓶的容积V、包络尺寸、工 作压力p、爆破强度p_b。若无特殊说明，本申请中的体积量纲为升，长度的量 纲为毫米，强度的量纲为兆帕。

第二步：确定气瓶内衬的几何尺寸

设定气瓶筒身长度L、半径R、气瓶管嘴外径，根据第一步中气瓶的容积V 与包络尺寸，得到内衬封头椭球面半轴B为

$B=\frac{3({10}^{6}V-\pi R^{2}L)}{{4\mathrm{\pi R}}^2}---\left(1\right)$

第三步：获取初始材料数据

对纤维复合材料进行力学性能测试，获取纤维材料的拉伸强度σ_fb。

第四步：进行复合材料气瓶封头及筒身纤维缠绕铺层设计，可以按照如下 步骤进行。

（1）基本参数计算

(1.1)气瓶封头的曲率半径计算

气瓶封头采用旋转对称椭球封头，则主曲率坐标线为子午线线和平行圆线 θ线。相应地，气瓶封头各点的子午线线主曲率半径为

平行圆线θ线主曲率半径R_θ为

$R_{\theta }=-{(\frac{z^2{R}^4}{B^4}+r^2)}^{1/2}---\left(3\right)$

式中，r为封头平行圆半径，z为平行圆到气瓶肩部的距离，具体见图1。

（1.2）缠绕角计算

气瓶封头部分的纤维采用测地线方式缠绕，根据纤维缠绕的扩孔半径r_i与封 头各处的平行圆半径r可计算得到缠绕纤维在封头各处的缠绕角为α_i(r)

α_i(r)=sin^-1(r_i/r)  （4） 式中，i=1、2、3…N，N为缠绕扩孔的次数。

(1.3)各缠绕层纤维爆破强度贡献计算

一般采用对称缠绕铺层方法进行铺层。以±α_i(r)为缠绕角的2n_i层螺旋缠绕 纤维在封头处提供的纵向爆破强度为

式中，σ_fb为纤维的拉伸强度，表示以±α_i(r)为缠绕角的缠绕纤维厚度， n_i为第i次扩孔缠绕所含纤维束的层数，h为单束纤维纱片厚度。

环向爆破强度为

（2）复合材料气瓶封头段纤维螺旋缠绕铺层设计

（2.1）首次扩孔缠绕

以气瓶接管嘴外半径r₁为首层缠绕纤维的扩孔半径，设定首次扩孔缠绕纤维 层数n₁与厚度为则该缠绕纤维在封头各处对应的爆破强度p¹(r)为纵向爆破 强度与环向爆破强度的较小值，即

（2.2）第二次扩孔缠绕

当首次扩孔缠绕纤维在封头各处提供的爆破强度小于气瓶的修正设计爆破 强度时，则需要进行第二次扩孔缠绕铺层。第二次扩孔缠绕纤维的对应的平行 圆半径r₂可通过下式确定

p¹(r₂)=p_bn  （8） 式中，p_bn为复合材料气瓶封头段的修正设计爆破强度，根据经验，p_bn通常取 0.3p_b～0.5p_b。

设定第二次扩孔缠绕纤维层数为n₂，厚度为

（2.3）第三次扩孔缠绕

在r≥r₂范围内，在封头平行圆半径r处由厚度缠绕纤维提供的爆破 强度为

第三次扩孔半径r₃可以通过下式确定

p²(r₃)=p_bn  （10）

设定第三次扩孔缠绕纤维层数为n₃，厚度为

（2.4）第N次扩孔缠绕

与（2.3）缠绕扩孔采用同样的方法，进行多次扩孔铺层设计，直至第N次 扩孔后气瓶封头沿母线各点爆破强度均满足

（3）气瓶筒身段铺层设计

所有螺旋缠绕纤维在筒身段提供的环向爆破强度为

$p_{\alpha }^{\mathrm{b\theta }}=\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{p}_{\theta }^i\left(R\right)---\left(12\right)$

筒身段环向缠绕纤维层厚度为

$h_{\mathrm{f\theta }}=\frac{R(p_b-p_{\alpha }^{\mathrm{b\theta }})}{{\sigma }_{\mathrm{fb}}}---\left(13\right)$

有益效果

本发明可以实现复合材料高压气瓶缠绕铺层快速与优化设计，减少甚至避 免气瓶设计、分析与验证的反复性。

附图说明

图1为复合材料气瓶的结构尺寸示意图；

图2为复合材料气瓶首次扩孔缠绕纤维纵向与环向爆破强度曲线图；

图3为复合材料气瓶前2次扩孔缠绕纤维纵向与环向爆破强度曲线图；

图4为复合材料气瓶前3次扩孔缠绕纤维纵向与环向爆破强度曲线图；

图5为复合材料气瓶前4次扩孔缠绕纤维纵向与环向爆破强度曲线图。

具体实施方式

下面结合实例对本发明的实施方式进行介绍。

第一步：根据某设计任务要求，需要设计容积为25L的复合材料气瓶，气 瓶的包络尺寸在750mm×300mm范围内，工作压力35MPa，爆破强度不低于 70MPa。

第二步：确定气瓶内衬的几何尺寸，如图1所示；

根据气瓶的容积与包络尺寸，设定筒身长度为400mm，半径为120，气瓶 接管嘴外径为40mm。则根据体积计算得到封头内衬椭球面半轴B为

$\frac{3({10}^{6}V-\pi R^{2}L)}{{4\mathrm{\pi R}}^2}=\frac{3({10}^6\times 25-3.14\times {120}^2\times 400)}{4\times 3.14\times {120}^2}=115\mathrm{mm}$

第三步，获取初始材料数据

采用T-700碳纤维进行缠绕，该材料的拉伸强度σ_fb一般取4900MPa。

第四步：进行复合材料气瓶封头及筒身纤维缠绕铺层，可以按照如下步骤 进行。

（1）基本参数计算

基本参数的计算在缠绕铺层过程中进行。

（2）复合材料气瓶封头段纤维螺旋缠绕铺层设计

（2.1）首次扩孔缠绕

以气瓶接管嘴外半径20mm为首层缠绕纤维的扩孔半径，设定首次扩孔缠 绕纤维层数n₁取2，单束碳纤维纱片厚度h取0.15mm，则首次扩孔缠绕的纤维厚 度为该厚度的缠绕纤维在封头各处对应的实际爆破 强度为纵向爆破强度与环向爆破强度的较小值，根据公式（4）、（5）、（6）计算 得到的强度曲线如图2。

（2.2）第二次扩孔缠绕

当首次扩孔缠绕纤维提供的爆破强度小于气瓶封头修正设计爆破强度p_bn时，则需要进行第二次扩孔缠绕铺层。第二次扩孔缠绕纤维对应的平行圆半径r₂可通过式（8）进行确定，这里p_bn取0.3p_b，即21MPa。根据图1，当平行圆半 径r大于40时，气瓶的封头爆破强度p²(r)低于于21MPa。因此，在此处应增加 缠绕纤维，即二次扩孔半径r₂为40mm。

同时，设定第二次扩孔缠绕纤维层数n₂为2，则厚度为0.6mm。根据公 式（9）计算得到的强度曲线如图3所示。

（2.3）第三次扩孔缠绕

当前2次扩孔缠绕纤维提供的爆破强度小于气瓶封头修正设计爆破强度p_bn时，则需要进行第三次扩孔缠绕铺层。第三次扩孔缠绕纤维的对应的平行圆半 径r₃可通过式（10）确定，则根据图3，r₃可取67mm。

同时，设定第三次扩孔缠绕纤维层数n₃为2，则厚度为0.6mm。根据公 式（11）计算得到的强度曲线如图4所示。

（2.4）第四次扩孔缠绕

当前3次扩孔缠绕纤维提供的爆破强度小于气瓶封头修正设计爆破强度p_bn时，则需要进行第四次扩孔缠绕铺层。第四次扩孔缠绕纤维的对应的平行圆半 径r₄可通过式（11）确定，则根据图4，r₄可取102mm。

同时，设定第四次扩孔缠绕纤维层数n₄为2，则厚度为0.6mm。根据公 式（11）计算得到的强度曲线如图5所示。

由图5可知，通过第四次扩孔缠绕，封头各处的爆破强度均大于修正设计 爆破强度21MPa。

（3）气瓶筒身段铺层设计

封头四次扩孔缠绕纤维提供的筒身环向爆破强度为

$p_{\alpha }^{\mathrm{b\theta }}=\underset{i=1}{\overset{4}{\Sigma }}{p}_{\theta }^i\left(R\right)=14.5\mathrm{MPa}$

筒身段环向缠绕纤维层厚度为

$h_{\mathrm{f\theta }}=\frac{R(p_b-p_{\alpha }^{\mathrm{b\theta }})}{{\sigma }_{\mathrm{fb}}}=\frac{120\times (71-14.5)}{4900}=1.4\mathrm{mm}$

单束碳纤维厚度为0.15mm，因此环向缠绕层数取10。