一种球形复合材料压力容器设计方法研究

时间：2022-08-15 00:09:22

关键字：球形COPV 纤维缠绕层结构设计软件开发

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[导读]摘要:创造性地将"通用双公式"模型嵌入到纤维缠绕层网格理论中,解决了因传统网格理论无法准确模拟纤维纱片在高纬度球壳处的重叠现象而带来的纤维层结构设计安全裕度大、结构效率低的问题。基于新方法理论,以球形复合材料气瓶为例,分别从外形尺寸、纤维层重量和强度三个方面验证了新设计方法的准确性和先进性,并采用C#语言开发了一套球形复合材料压力容器(CoPV)纤维缠绕层结构设计软件,以提高设计效率,普及新设计方法。

引言

目前,航天系统使用的CoPV几乎都是柱形结构,球形CoPV的设计方法较为传统,导致产品的结构效率较低。而随着航天系统任务多样性的发展,某些航天器由于特殊的安装需求,需采用球形结构。

此外,在低温推进系统上,球形结构由于较低的体积/表面积比而成为低温推进剂贮箱的优选结构。

鉴于此,航天系统迫切需要发展结构效率高、安全性好、成本低等综合性能高的球形CoPV,以适应航天事业的发展。

本文研究的目的就是开发一套球形纤维缠绕层结构设计方法,提高球形CoPV的结构效率。方法是在传统的网格理论中引入"通用双公式"进行球形纤维缠绕层的结构设计,同时以纤维/树脂单层板的抗拉强度ab替代每束纤维的抗力F,更真实地模拟纤维层强度。

1传统设计方法

设计时,假设薄壁内衬不承压,所有的压力载荷全部由纤维缠绕层承担。气瓶工作时,纤维层由于内压的作用而产生一定的经向张力Ⅳ1和纬向张力Ⅳ2。当在球壳任一包络圈上以最大圆进行平面缠绕时,缠满一周后,球体上任一点处纤维的经向抗力和纬向抗力分别为N1和N2。

采用最大应力破坏准则进行设计,要求复合材料球壳任一点的各层抗力之和要大于或者等于该点的张力,由网格理论可知:

式中,x为缠绕时的纱团数;W为纤维在赤道上垂直纤维方向的前进量(mm);F为单束纤维的抗力(N);f1为纤维在极孔处的强度发挥系数;f2为纤维在赤道处的强度发挥系数;R0为扩孔半径(mm);Rx为球壳任一点处截面半径(mm);R为纤维球壳内径(mm)。

假设缠绕时,纤维纱片在赤道处的覆盖率为100%,但随着纬度的增高纱片会相互重合,在极孔处达到极限(图1)。由于公式(1)不能精确地模拟纤维纱片在高纬度的重合情况,从而设计的经向抗力和纬向抗力远大于经向张力和纬向张力(图2),导致纤维缠绕层的结构效率低。

2改进设计方法

为了更精确地模拟纤维纱片在高纬度球壳处的重叠,避免纤维重叠造成的抗力浪费,在公式(1)中创新性地引入"通用双公式"模型模拟球壳上各点的纤维厚度1x,同时以纤维/树脂单层板抗拉强度ab替换公式(1)中的单束纤维抗力F,从而更真实地还原纤维层的强度特性。整理得到的新理论公式如下:

式中,lx为球壳上某一点在一个缠绕循环下的纤维缠绕层厚度(mm):lp为纤维厚或层厚(mm):o为纤维宽度(mm):W0为纤维展纱宽度(mm)。

基于上述理论,采用反复迭代的方法进行球形CoPV的纤维缠绕层结构设计。首先,确定第一次缠绕极孔半径(等极孔Rl或不等极孔Rl、Rl'),将极孔半径和赤道半径间的球壳划分为n等份,并依次计算球壳上各点的纤维张力和纤维抗力,若某一点的纤维抗力小于该点的纤维张力,则以该点为新的缠绕起点进行扩孔缠绕,同时将该点和赤道间球壳划分为nl等份,重复进行计算。反复迭代后可得到一组极孔半径值和对应的缠绕循环数,从而完成纤维缠绕层的结构设计。

3方法验证

为验证改进设计方法的实用性和正确性,本节将以20L球形气瓶为例,分别从外型尺寸、纤维缠绕层重量和容器强度三个方面论证创新设计方法的可靠性,结果如表1所示。