本发明涉及储氢气瓶，尤其涉及一种iv型大容积储氢瓶设计方法。
背景技术：
1、迄今为止已有众多学者对储氢气瓶尤其是小容积的车载储氢气瓶的充装过程进行了研究，取得了大量的有价值的试验数据与研究成果。但仍存在很多不足之处，如缺少大容积复合材料储氢气瓶，如长管拖车用储氢气瓶的相关设计的研究。不同因素对大容积复合材料储氢气瓶与小容积复合材料储氢瓶在充装过程中的温升规律区别尚不明确。且目前未有针对气瓶入射配置如进气管结构参数对储氢气瓶充装过程温升影响研究。
2、鉴于此，亟待根据研究结果结合实际充装工艺提出安全可靠的大容积高压复合材料储氢气瓶的设计方法。
技术实现思路
1、本发明的目的在于根据研究结果结合实际充装工艺提出一种安全可靠的iv型大容积储氢瓶设计方法。
2、为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
3、一种iv型大容积储氢瓶设计方法，包括如下步骤：
4、s10.确定储氢气瓶服役参数以及结构参数，服役参数至少包括额定工作压力、水压试验压力和最小爆破压力；结构参数至少包括储氢气瓶容积、筒身段半径和封头短半轴对应长度；
5、s11.储氢气瓶复合材料缠绕层结构设计，以获得复合材料缠绕层n种铺设方案，每一种铺设方案至少包括确定缠绕层材料、缠绕层方向、缠绕层层数和铺设方式；
6、s12.针对每一种铺设方案形成的缠绕层，利用力学响应分析工具分析缠绕层在额定工作压力、水压试验压力和最小爆破压力三种关键工况下的力学响应，获得不同工况下缠绕层危险部位；基于最大应力失效准则对危险部位进行分析评定，基于评定结果选取缠绕层最优铺设方案；
7、s13.构建储氢气瓶的充气理论模型；
8、s14.应用充气理论模型进行储氢气瓶瞬态充气过程仿真模拟，获得储氢气瓶温升演化规律；
9、s15.基于储氢气瓶温度演化规律制定控温策略。
10、作为一种可能的实现方式，s11具体包括：
11、s110.确定复合材料缠绕层设计的基本假设，基本假设包括：储氢气瓶内压造成的载荷全部由复合材料缠绕层拉应力承担；复合材料缠绕层强度全部由纤维拉伸强度承担；复合材料缠绕层连续在内胆上缠绕且均匀、对称分布；储氢气瓶视为薄壁容器，铺设复合材料缠绕层时不考虑弯曲应力；缠绕方式为螺旋缠绕和平面缠绕；
12、s111.基于服役参数选取复合材料；
13、s112.计算复合材料缠绕层单层厚度；
14、s113.确定包括螺旋缠绕和环向缠绕的缠绕方式；
15、s114.基于网格理论分别对筒体段和封头段进行力学分析，基于工程经验得到缠绕层的缠绕角度，进一步基于缠绕角度确定螺旋缠绕层总厚度和环向缠绕层总厚度；
16、s115.基于螺旋缠绕层总厚度和单层厚度计算获得螺旋缠绕层层数；基于环向缠绕层总厚度和单层厚度计算获得环向缠绕层层数；
17、s116.制定缠绕层初步铺设方式，进一步结合实际缠绕工艺确定至少三种缠绕层铺设方式。
18、作为一种可能的实现方式，s115具体包括如下子步骤：
19、s1150.将缠绕层单层厚度代入每层缠绕层能够承载的纵向压力公式以及每层缠绕层能够承载的环向压力公式，获得不同缠绕角度下单层缠绕层所能承载的纵向承载压力和环向承载压力；
20、s1151.将各层纵向承载压力叠加以获得纵向总承载力，将各层环向承载压力叠加以获得环向总承载力，判断纵向总承载力和环向总承载力是否均满足最小爆破压力，如是，则跳转至s1152，否则，调整螺旋缠绕层层数和/或环向缠绕层层数，直至叠加的纵向和环向总承载力满足最小爆破压力后跳转至s1152；
21、s1152.确定缠绕层铺设方案，通过交替铺设或分层铺设制定n种缠绕层铺设方案；每一种铺设方案种均包括缠绕层方向、对应的缠绕层层数和铺设顺序。
22、作为一种可能的实现方式，制定三种缠绕层铺设方案，第一种缠绕层铺设方案为90°为环向铺设，10°、17°、25°、37°、40°、45°为螺旋铺设；下角标为铺设层数；
23、第二种缠绕层铺设方案为其中，90°为环向铺设，10°、17°、25°、37°、40°、45°为螺旋铺设；下角标为铺设层数；
24、第三种缠绕层铺设方案为其中，90°为环向铺设，±10°、±17°、±25°、±37°、±40°以及±45°为螺旋铺设，螺旋铺设层数分别为7、7、7、7、5和5层；为环向铺设，铺设层数为相应螺旋铺设层数的2倍。
25、作为一种可能的实现方式，采用esacomp软件执行s12，s12具体包括如下步骤：
26、s120.构建储氢气瓶内胆的三维模型；
27、s121.配置复合材料层中树脂基体材料以及碳纤维材料，并设置碳纤维材料的体积含量；
28、s122.依照制定的每一种缠绕层铺设方案进行铺层；
29、s123.设置边界条件，包括一端自由度设置为0，另一端不约束自由度；施加内压载荷；内压载荷为额定工作压力、水压试验压力或最小爆破压力种的一种；
30、s124.构建缠绕层失效准则，缠绕层失效准则为最大应力失效准则；
31、s125.针对每一缠绕层铺设方案获取内压载荷下筒身段的总位移云图、x方向位移云图、y方向位移云图、z方向位移云图；
32、s126.通过分析上述各位移云图确定筒身段最大位移的方向以及分布形式；
33、s127.在最大位移的方向上选取位移最大值单元，位移最大值单元为缠绕层危险位置；
34、s128.获取位移最大值单元所在的每一缠绕层中碳纤维材料层的应力图；
35、s129.基于应力图获取评定结果，评定结果由1/rf_fpf量化，当1/rf_fpf的值大于1时，表示缠绕层承载力无法承担内压载荷，造成纤维损坏，即发生失效。
36、作为一种可能的实现方式，s14具体包括如下步骤：
37、s140.确定储氢气瓶温升演化的影响因素，影响因素至少包括充装速率、环境温度、初始压力和进气口结构；
38、s141.采用控制变量法分析各影响因素下储氢气瓶温升演化规律。
39、作为一种可能的实现方式，分析充装速率对储氢气瓶温升演化规律具体包括如下步骤：
40、基于充装率指数、储氢气瓶水容积、基准温度下储氢气瓶内氢气的实时密度和氢气充装最大峰值速度计算确定氢气最小充装时间；
41、确定n1个充装速率算例工况，每一充装速率算例工况均包括充装时间、充装速率、环境温度、初始温度、初始压力和目标压力；充装时间大于最小充装时间；环境温度、初始温度、初始压力和目标压力为定量；基于目标压力、初始压力和充装时间确定每一充装速率算例工况下的充装速率；
42、应用充气理论模型，具体包括：配置储氢气瓶充装数值模拟的工况参数；工况参数至少包括重力方向、环境温度、选用湍流模型、入口边界条件、步长、氢气流入方向、流体介质、求解器设置、入口压力和残差曲线精度；
43、充装速率算例工况下缠绕层数值模拟，获取每一充装速率算例工况下缠绕层的温度峰值。
44、作为一种可能的实现方式，分析初始压力对储氢气瓶温升演化规律具体包括如下步骤：
45、确定n2个初始压力算例工况，每一初始压力算例工况均包括充装时间、充装速率、环境温度、初始温度、初始压力和目标压力；充装时间大于最小充装时间；充装速率、环境温度、初始温度、目标压力为定量；基于目标压力、充装速率和充装时间确定每一初始压力算例工况下的初始压力；
46、应用充气理论模型，对初始压力算例工况下缠绕层数值进行模拟，获取每一初始压力算例工况下缠绕层的温度峰值；或，
47、分析环境温度对储氢气瓶温升演化规律具体包括如下步骤：
48、确定n3个环境温度算例工况，每一环境温度算例工况均包括充装时间、充装速率、环境温度、初始温度、初始压力和目标压力；充装时间大于最小充装时间；充装速率、初始压力、初始温度、目标压力为定量；环境温度为变量；
49、应用充气理论模型，对环境温度算例工况下缠绕层数值进行模拟，获取每一环境温度算例工况下缠绕层的温度峰值。
50、作为一种可能的实现方式，分析进气口结构对储氢气瓶温升演化规律具体包括如下步骤：
51、确定n4个进气口结构算例工况，每一进气口结构算例工况均包括进气管内径、进气管深入长度和进气管壁厚；其中，进气管壁厚为定量；一个进气管内径对应多个进气管深入长度；不同进气管内径对应的多个进气管深入长度的数组相同；充装时间、充装速率、环境温度、初始温度、初始压力和目标压力为定量；
52、应用充气理论模型，对进气口结构算例工况下缠绕层数值进行模拟，获取每一进气口结构算例工况下缠绕层的温度峰值。
53、作为一种可能的实现方式，基于储氢气瓶温度演化规律制定控温策略，具体包括：
54、基于温度峰值最小原则确定充装速率、环境温度、初始压力和进气口结构。
55、与现有技术相比，本发明所产生的有益效果在于：
56、1、本发明提供的iv型大容积储氢瓶设计方法，基于储氢气瓶服役参数以及结构参数，提出三种缠绕层铺设方案，采用esacomp软件分析缠绕层在额定工作压力、水压试验压力和最小爆破压力三种关键工况下的力学响应，获得缠绕层最优铺设方案。
57、2、本发明提供的iv型大容积储氢瓶设计方法，针对70mpa长管拖车用大容量复合材料储氢气瓶进行了充装过程热力学分析，建立了适用于大容量、考虑浮力效应的传热流动与真实气体效应的数值模拟模型，确保设计方法的安全可靠性。
58、3、本发明提供的iv型大容积储氢瓶设计方法，确定储氢气瓶温升演化的影响因素，采用控制变量法分析各影响因素下储氢气瓶温升演化规律，基于储氢气瓶温度演化规律制定控温策略，确保设计可靠，使用安全。
1.一种iv型大容积储氢瓶设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的iv型大容积储氢瓶设计方法，其特征在于，所述s11具体包括：
3.根据权利要求2所述的iv型大容积储氢瓶设计方法，其特征在于，所述s115具体包括如下子步骤：
4.根据权利要求3所述的iv型大容积储氢瓶设计方法，其特征在于，制定三种缠绕层铺设方案，第一种缠绕层铺设方案为90°12/±10°7/90°14/±17°7/90°14/±25°7/90°14/±37°5/90°10/±40°5/90°10/±45°5/90°20；90°为环向铺设，10°、17°、25°、37°、40°、45°为螺旋铺设；下角标为铺设层数；
5.根据权利要求4所述的iv型大容积储氢瓶设计方法，其特征在于，采用esacomp软件执行所述s12，所述s12具体包括如下步骤：
6.根据权利要求1所述的iv型大容积储氢瓶设计方法，其特征在于，所述s14具体包括如下步骤：
7.根据权利要求6所述的iv型大容积储氢瓶设计方法，其特征在于，分析充装速率对储氢气瓶温升演化规律具体包括如下步骤：
8.根据权利要求7所述的iv型大容积储氢瓶设计方法，其特征在于，分析初始压力对储氢气瓶温升演化规律具体包括如下步骤：
9.根据权利要求8所述的iv型大容积储氢瓶设计方法，其特征在于，分析进气口结构对储氢气瓶温升演化规律具体包括如下步骤：
10.根据权利要求9所述的iv型大容积储氢瓶设计方法，其特征在于，基于储氢气瓶温度演化规律制定控温策略，具体包括：
