(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210983762.2 (22)申请日 2022.08.16 (71)申请人 张家港氢云新能源研究院有限公司 地址 215600 江苏省苏州市张家港市杨舍 镇福新 （晨新） 路19 号张家港氢云新能 源研究院有限公司 申请人 江苏国富氢能技 术装备股份有限公 司 (72)发明人 金碧辉　何春辉　孙磊　成志钢　 邹宏伟　 (74)专利代理 机构 南京苏科专利代理有限责任 公司 32102 专利代理师 陈望坡 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01)G06F 113/26(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种高压储氢气瓶封 头扩孔缠绕设计方法 (57)摘要 本发明公开了一种高压储氢气瓶封头扩孔 缠绕设计方法， 采用网格理论预计算筒段的螺旋 缠绕角度及螺旋缠绕层、 环向缠绕层厚度， 根据 网格理论预计算的结果并结合实际工艺经验调 整缠绕层环向与纵向的压强比， 给出满足爆破压 力的扩孔缠绕铺层设计方案， 然后将扩孔缠绕铺 层设计方案导入至缠绕模拟软件中， 确认缠绕的 可行性， 并根据封头处纤维堆积的情况进行铺层 缠绕方案的调整， 再将满足缠绕工艺的封头厚度 及角度导出整理， 进行复合材料有限元模型的建 立， 并进行爆破压力下的强度校验， 反复修改缠 绕设计， 直到满足要求， 最后将满足设计要求的 缠绕方案输出为缠绕机可识别G代码。 本发明具 有能使封头缠绕满足爆破压力要求且能达到轻 量化设计目的 的优点。 权利要求书3页 说明书9页 附图3页 CN 115392078 A 2022.11.25 CN 115392078 A 1.一种高压储氢气瓶封 头扩孔缠绕设计方法， 其特 征在于： 包括以下步骤： 步骤(1)： 根据碳纤维材料物理属性、 设计爆破压力和内衬结构， 采用网格理论预计算 筒段的螺 旋缠绕角度、 螺 旋缠绕层厚度、 以及环向缠绕层厚度； 步骤(2)： 根据步骤(1)得到的筒段螺旋缠绕角度、 筒段螺旋缠绕层厚度、 以及筒段环向 缠绕层厚度计算出筒段螺旋缠绕层爆破压强、 筒段环向缠绕层爆破压强、 以及筒段环向缠 绕层爆破压强与筒段螺 旋缠绕层爆破压强的爆破压强比η； 步骤(3)： 判断步骤(2)得到的爆破压强比η是否满足0.6≤η≤0.7， 如果不满足， 则跳转 执行步骤(4)； 如果满足， 则跳转执 行步骤(5)； 步骤(4)： 重新调整筒段螺旋缠绕层厚度与筒段环向缠绕层厚度， 并根据调整后的筒段 螺旋缠绕层厚度与筒段环向缠绕层厚度采用网格理论重新预计算出调整后的筒段螺旋缠 绕层爆破压强、 筒段环向缠绕层爆破压强、 以及筒段环向缠绕层爆破压强与筒段螺旋缠绕 层爆破压强的爆破压强比η， 判断调整后的爆破压强比η是否满足0.6≤η≤0.7， 如果不满 足， 则重复步骤(4)， 如果满足， 则跳转执 行步骤(5)； 步骤(5)： 根据网格理论预计算出的符合爆破压强比要求的筒段螺旋缠绕层厚度及筒 段环向缠绕层厚度， 对气瓶封 头进行扩孔缠绕铺 层方案设计； 步骤(6)： 根据气瓶封头扩孔缠绕铺层方案， 采用缠绕模拟软件进行缠绕合理性分析并 计算输出封 头平行圆处所对应的复合材 料厚度及缠绕角度； 步骤(7)： 将步骤(6)得到的计算结果 导入建模软件中进行复合材 料的有限元建模； 步骤(8)： 根据步骤(7)中所建立的复合材料有限元模型进行有限元仿真计算并校核第 一主应力σ， 判断所计算出的第一主应力σ 是否满足σ ≤σb， σb为复合材料纤维方向的拉伸强 度； 如果不满足， 则重新调整气瓶封头的扩孔缠绕铺层方案并跳转执行步骤(6)； 如果满足， 则输出缠绕机可识别G代码， 进行实际缠绕。 2.根据权利要求1所述的一种高压储氢气瓶封头扩孔缠绕设计方法， 其特征在于： 在步 骤(1)中， 用于网格理论预计算的碳纤维材料物理属性包括： 碳纤维密度、 碳纤维线密度、 单 束纱展纱后的带宽 宽度、 纤维体积含量、 纤维 发挥强度， 复合材 料纤维方向的拉伸强度。 3.根据根据权利要求1所述的一种高压储氢气瓶封头扩孔缠绕设计方法， 其特征在于： 在步骤(1)中， 螺 旋缠绕角度根据测地线缠绕角度计算， 具体 计算公式如下： 其中， α0为螺旋缠绕角度， r0为极孔半径， R为内衬筒段半径。 4.根据根据权利要求3所述的一种高压储氢气瓶封头扩孔缠绕设计方法， 其特征在于： 在步骤(1)中， 筒段螺 旋缠绕层厚度的具体 计算公式如下： 其中， tα为筒段螺旋缠绕层厚度， R为内衬筒段半径， Pb为设计爆破压力， σb为复合材料 纤维方向的拉伸强度， K1为螺旋缠绕纤维 强度发挥系数， K1≤1， α0为螺旋缠绕角度； 筒段环向缠绕层厚度的具体 计算公式如下： 权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115392078 A 2其中， tθ为筒段环向缠绕层厚度， R为内衬筒段半径， Pb为设计爆破压力， σb为复合材料 纤维方向的拉伸强度， K2为环向缠绕纤维 强度发挥系数， K2≧1， α0为螺旋缠绕角度。 5.根据权利要求1所述的一种高压储氢气瓶封头扩孔缠绕设计方法， 其特征在于： 在步 骤(2)中， 筒段螺 旋缠绕层爆破压强的具体 计算公式如下： 其中， Ptotal‑纵 向为筒段螺旋缠绕层爆破压强， tα为筒段螺旋缠绕层厚度， σb为复合材料纤 维方向的拉伸强度， α0为螺旋缠绕角度， R为内衬筒段半径； 筒段环向缠绕层爆破压强的具体 计算公式如下： 其中， Ptotal‑环 向为筒段环向缠绕层爆破压强， tα为筒段螺旋缠绕层厚度， σb为复合材料纤 维方向的拉伸强度， α0为螺旋缠绕角度， R为内衬筒段半径， tθ为筒段环向缠绕层厚度； 筒段环向缠绕层爆破压强与筒段螺旋缠绕层爆破压强的爆破压强比η的具体计算公式 如下： 其中η为筒段环向缠绕层爆破压强与筒段螺旋缠绕层爆破压强的爆破压强比， ptotal‑环 向 为筒段环向缠绕层爆破压强， Ptotal‑纵 向为筒段螺 旋缠绕层爆破压强。 6.根据权利要求1所述的一种高压储氢气瓶封头扩孔缠绕设计方法， 其特征在于： 在步 骤(5)中， 可以校核气瓶封头扩孔缠绕铺层方案的爆破压强比η是否满足0.6≤ η≤0.7， 具体 计算公式如下： 筒段缠绕层纵向爆破压强及环向压强； P环 向缠 绕‑纵 向＝0 Ptotal‑纵 向＝P螺 旋 缠 绕‑纵 向+P环 向缠 绕‑纵 向 ptotal‑环 向＝P螺 旋 缠 绕‑环 向+P环 向缠 绕‑环 向 其中， M为扩孔次数， tc为复合材料单层厚度， σb为复合材料纤维方向的拉伸强度， r0+ i2b为扩孔缠绕所对应极孔半径， R为内衬筒段半径， 为该扩孔缠绕方式的层数， b为 纱束展纱后缠绕时所用的带宽 宽度,Nθ为环向缠绕的总层数， η为爆破压强比。权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115392078 A 3