【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及压力容器安全，尤其是涉及一种考虑预变形的大容量管束式全缠绕复合氢瓶寿命预测方法。
技术介绍
1、复合材料碳纤维缠绕储氢气瓶由外表面的碳纤维复合缠绕层和内胆金属材料组成。外表面采用了高比强度的碳纤维复合材料缠绕层，具有承载能力强、质量轻、抗疲劳性能强等优点。气瓶内胆采用铝合金，具有优良的加工性能、良好的耐腐蚀性、高韧性、加工后不变形、材料致密无缺陷等优点。缠绕气瓶在充放气的过程中，会对金属内胆施加交变载荷，产生疲劳损伤，从而限制了气瓶的使用寿命。为了保证服役过程中的安全可靠性，目前根据设计使用年限对气瓶的寿命进行设定，但缺少具体的充装循环次数，因此需要对设计生产的缠绕气瓶进行疲劳寿命评估。
2、复合材料碳纤维全缠绕管束储氢气瓶生产过程中，会预先对气瓶加载较大的载荷，然后卸载，使得铝合金内胆和碳纤维缠绕层紧密贴合，同时拉紧碳纤维，使其处于碳纤维处于高应力状态，以提高气瓶的承载能力。这一道生产工序称为自紧工艺。然而该工艺会对内胆材料施加较大预应力，暨使气瓶发生较大量变形，从而使得材料的拉伸和疲劳性能发生改变。
3、目前现有的技术中，绝大多数的碳纤维缠绕储气瓶的疲劳寿命预测是通过水压循环测试进行的，通过实验虽然可靠性高、具有说服力，但是耗时长且成本高；少数采用有限元分析来计算气瓶疲劳寿命的方法，并未考虑预变形对于气瓶内胆材料的抗拉强度和疲劳性能的影响，限制了计算结果的准确度。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种考虑预变形的大容量管束式全缠绕
2、根据本专利技术的一个目的，本专利技术提供一种考虑预变形的大容量管束式全缠绕复合氢瓶寿命预测方法，包括以下步骤：
3、s1：对铝合金拉伸试样进行预制应力，然后卸载，再进行拉伸试验，获得应力应变曲线、弹性模量、屈服强度；
4、s2：对铝合金疲劳试样进行预制应力，然后表面处理，再进行应变控制疲劳试样，获得带有预变形影响的铝合金s-n曲线；
5、s3：获得碳纤维复合材料层的工程常数和破坏应力材料参数；
6、s4：在有限元中输入预制应力后内胆材料和复合缠绕层的属性参数；建立内胆有限元模型和复合缠绕层有限元模型，划分网格，施加边界条件和平衡面载荷；
7、s5：对气瓶内部按分析步施加载荷，进行有限元计算；
8、s501：对有限元模型的分析步1施加循环载荷下限(一般为2mpa)；
9、s502：对有限元模型的分析步2施加1.25倍工作压力(许用压力)循环载荷上限；
10、s503：重复一定周次的循环载荷分析步；
11、s6：查看计算结果是否趋于稳定，将1.25倍工作压力循环载荷上限下，内胆应变最大处节点视为危险点，输出该点各方向应变数据；
12、s7：根据输出的方向应变，计算等效应变；
13、s8：由于气瓶收到的交变载荷平均值不为0，因此利用戈贝尔方程修正等效应力幅；
14、s9：利用计算出来的等效应力幅，对照带有预变形影响的材料s-n曲线，即得到考虑预变形影响的缠绕气瓶的疲劳寿命。
15、进一步地，s4中，复合缠绕层有限元模型根据缠绕层厚度、缠绕角度和缠绕次序建立。
16、进一步地，s4中，复合缠绕层有限元模型需考虑缠绕层在封头处缠绕角度、厚度和缠绕起始位置的变化。
17、进一步地，s4中，内胆有限元模型和复合缠绕层有限元模型两部分连接方式采用绑定连接。
18、进一步地，s4中，利用abaqus-wcm插件或ansys-acp模块建立碳纤维缠绕气瓶有限元模型，实现碳纤维在封头处变角度、变厚度、变位置。
19、进一步地，s4中，根据实际生产过程中的生产工艺，按照缠绕层厚度、缠绕起始终止位置、缠绕角度和缠绕次序，逐层建立碳纤维缠绕复合材料层有限元模型。
20、进一步地，s4中，下瓶口完全固定，上瓶口施加随内压变化的平衡面载荷，气瓶两侧施加循环对称。
21、进一步地，s5中，有限元计算的步骤如下：
22、s501：对有限元模型的分析步1施加循环载荷下限(一般为2mpa)；
23、s502：对有限元模型的分析步2施加1.25倍工作压力(许用压力)循环载荷上限；
24、s503：重复一定周次的循环载荷分析步。
25、进一步地，s7中，等效应变的一半乘弹性模量即为等效应力幅，计算方法如下：
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*-为材料的泊松比；
34、δεequiv,i-循环类型i下的等效应变范围；
35、δεxi-循环类型i下的x向应变；
36、δεyi-循环类型i下的y向应变；
37、δεzi-循环类型i下的z向应变；
38、δγxyi、δγyzi、δγzxi-循环类型i下剪应变。
39、进一步地，s8中，戈贝尔方程如下所示：
40、
41、式中，
42、sf'为平均应力不为0的等效应力幅；
43、sf为平均应力为0的等效应力幅；
44、sm为平均应力；
45、su为抗拉强度。
46、本专利技术的技术方案建立了考虑预变形影响的的ⅲ型气瓶疲劳寿命预测方法，充分考虑预变形对气瓶内胆材料的抗拉强度和疲劳性能的影响，提高了计算结果的准确度。本专利技术可以更准确地预测iii型气瓶在预变形影响下的疲劳寿命，对于提高气瓶的可靠性和安全性具有重要意义。
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1.考虑预变形的大容量管束式全缠绕复合氢瓶寿命预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的考虑预变形的大容量管束式全缠绕复合氢瓶寿命预测方法，其特征在于，S4中，复合缠绕层有限元模型根据缠绕层厚度、缠绕角度和缠绕次序建立。
3.根据权利要求1所述的考虑预变形的大容量管束式全缠绕复合氢瓶寿命预测方法，其特征在于，S4中，复合缠绕层有限元模型需考虑缠绕层在封头处缠绕角度、厚度和缠绕起始位置的变化。
4.根据权利要求1所述的考虑预变形的大容量管束式全缠绕复合氢瓶寿命预测方法，其特征在于，S4中，内胆有限元模型和复合缠绕层有限元模型两部分连接方式采用绑定连接。
5.根据权利要求1所述的考虑预变形的大容量管束式全缠绕复合氢瓶寿命预测方法，其特征在于，S4中，利用Abaqus-wcm插件或ANSYS-Acp模块建立碳纤维缠绕气瓶有限元模型，实现碳纤维在封头处变角度、变厚度、变位置。
6.根据权利要求1所述的考虑预变形的大容量管束式全缠绕复合氢瓶寿命预测方法，其特征在于，S4中，根据实际生产过程中的生产工艺，按照缠绕
7.根据权利要求1所述的考虑预变形的大容量管束式全缠绕复合氢瓶寿命预测方法，其特征在于，S4中，下瓶口完全固定，上瓶口施加随内压变化的平衡面载荷，气瓶两侧施加循环对称。
8.根据权利要求1所述的考虑预变形的大容量管束式全缠绕复合氢瓶寿命预测方法，其特征在于，S5中，有限元计算的步骤如下：
9.根据权利要求1所述的考虑预变形的大容量管束式全缠绕复合氢瓶寿命预测方法，其特征在于，S7中，等效应变的一半乘弹性模量即为等效应力幅，计算方法如下：
10.根据权利要求1所述的考虑预变形的大容量管束式全缠绕复合氢瓶寿命预测方法，其特征在于，S8中，戈贝尔方程如下所示：
...【技术特征摘要】
1.考虑预变形的大容量管束式全缠绕复合氢瓶寿命预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的考虑预变形的大容量管束式全缠绕复合氢瓶寿命预测方法，其特征在于，s4中，复合缠绕层有限元模型根据缠绕层厚度、缠绕角度和缠绕次序建立。
3.根据权利要求1所述的考虑预变形的大容量管束式全缠绕复合氢瓶寿命预测方法，其特征在于，s4中，复合缠绕层有限元模型需考虑缠绕层在封头处缠绕角度、厚度和缠绕起始位置的变化。
4.根据权利要求1所述的考虑预变形的大容量管束式全缠绕复合氢瓶寿命预测方法，其特征在于，s4中，内胆有限元模型和复合缠绕层有限元模型两部分连接方式采用绑定连接。
5.根据权利要求1所述的考虑预变形的大容量管束式全缠绕复合氢瓶寿命预测方法，其特征在于，s4中，利用abaqus-wcm插件或ansys-acp模块建立碳纤维缠绕气瓶有限元模型，实现碳纤维在封头处变角度、变厚度、变位置。...
【专利技术属性】
技术研发人员：袁奕雯，邵振雄，宫建国，轩福贞，王洁璐，王少军，宋盼，许金沙，
申请(专利权)人：上海市特种设备监督检验技术研究院，
类型：发明
国别省市：
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