本发明涉及气瓶使用领域，具体是一种在气瓶内腐蚀方面的用于车载气瓶的寿命预测方法。
背景技术：
气瓶腐蚀包括内腐蚀和外腐蚀。内腐蚀一般是由于气源中硫化氢等酸性物质对钢材的电化学腐蚀，外腐蚀主要由于实际运行环境暴露在外的气瓶受到酸雨等的侵蚀。车用气瓶多安装在车辆内部，故以内腐蚀为主；在硫化氢等腐蚀介质或腐蚀环境作用下，气瓶瓶体厚度变薄，形成点腐蚀、线腐蚀、局部腐蚀等各类腐蚀；内腐蚀发生后，由于气瓶腐蚀主要发生在气瓶内部，一般难以发觉，往往直到产生鼓包等现象的时候才能引起注意，给车辆安全运行带来极大隐患，一旦发生事故，往往会带来巨大损失。
目前有关腐蚀疲劳研究主要面向不同腐蚀环境、腐蚀时间、复合材料应用、硫化氢等典型腐蚀因素机理，以及疲劳模型优化与数据推导等问题，但是由于额定载荷下，气瓶全生命周期不同腐蚀状态疲劳实验不易设计，且临界条件下带压实验存在极大危险，难以获取各腐蚀阶段气瓶应力分布、应力强度等参数，限制了面向气瓶全生命周期腐蚀特性的进一步分析研究。
技术实现要素：
本方案针对现有技术的不足，提供了一种用于车载气瓶的气瓶寿命预测方法，研究报废切割气瓶腐蚀特性的基础上，通过建立气瓶有限元模型，对气瓶全生命周期不同腐蚀状况下的应力分布和应力强度变化进行计算分析，计算其剩余周期，为气瓶安全使用管理提供参考。
本发明是通过如下方案实现的：一种气瓶寿命预测方法，包括如下步骤：1)获取气瓶内部腐蚀的腐蚀缺陷，所述腐蚀缺陷包括气瓶腐蚀的区域和腐蚀的深度；2)构建含有腐蚀缺陷的气瓶有限元模型；3)依据有限元模型，获得不同腐蚀深度对应的气瓶受到应力强度的数据；4)依据气瓶的腐蚀深度与气瓶受到的应力强度，建立气瓶在充气、放气使用过程中的疲劳寿命函数，依据疲劳寿命函数获得气瓶使用寿命。获得气瓶内部腐蚀数据可以获得实际使用的气瓶的具体腐蚀情况，为后续的建模提供实际的数据，避免建模出现错误；建立有限元模型时采用ansys分析工具建立含腐蚀缺陷车用气瓶有限元模型；对气瓶施加载荷20mpa，即车载气瓶的标准工作压力，在这个载荷下，获得气瓶各个位置的应力强度，为寿命预测提供数据支持；通过疲劳函数获得气瓶的寿命，即获得气瓶的疲劳寿命次数。
获取气瓶内部腐蚀的腐蚀缺陷时，腐蚀缺陷是由多个报废气瓶切割测量获得，通过对气瓶的实际切割，可以准确的获得气瓶的腐蚀区域，为后续建模提供准确的腐蚀缺陷区域和深度数据。
所述的有限元模型包括气瓶口、瓶底和瓶身；并且在有限元模型中的接嘴端口施加轴向位移约束和旋转约束，这样可以完全的模拟气瓶使用情况。
所述的有限元模型采用整个气瓶的1/2，即沿气瓶口和平底的纵轴线将气瓶分为两个对称气瓶体，由于气瓶的对称性，故不影响模型的效果，并且还可以提高计算效率。
构建有限元模型时，对气瓶内壁采用凹陷的方式构建腐蚀区域。这样更贴合腐蚀缺陷的实际情况。
所述凹陷为旋转曲面与气瓶壁相交构成，其中的旋转曲面最大直径的纬圆的直径小于气瓶瓶身的直径。这样可以使腐蚀区域深度沿腐蚀边界向腐蚀中心平滑过渡，而不会出现急剧变化的地方，避免出现应力分布集中的现象，影响计算结果。
所述旋转曲面的母线为圆弧形，母线的中部为最大直径的纬圆。这样腐蚀缺陷的横截面为圆弧状，腐蚀深度由边缘向中心逐渐变深。
获得疲劳寿命的疲劳寿命函数为
其中δε为局部应变变程，σ′f为疲劳轻度系数，σm为平均应力，e为弹性模量，nf为疲劳寿命，b为疲劳强度指数，ε′f为疲劳延性系数，c为疲劳延性指数；通过疲劳寿命函数获得气瓶在不同时刻、不同腐蚀深度时的疲劳寿命，得到含腐蚀缺陷车用气瓶寿命-腐蚀深度关系曲线，能够为气瓶安全使用管理提供参考。
通过上述描述，可以看出本方案具有实质性的特点和显著的效果。
附图说明
图1为本发明具体实施方式的流程图。
图2为未受腐蚀的气瓶应力分布图。
图3为未受腐蚀的气瓶应力分布灰度图。
图4为腐蚀深度为0.1mm的应分布图。
图5为腐蚀深度为0.1mm气瓶应力分布灰度图。
图6为腐蚀深度为0.5mm的应分布图。
图7为腐蚀深度为0.5mm气瓶应力分布灰度图。
图8为腐蚀深度为1.0mm的应分布图。
图9为腐蚀深度为1.0mm气瓶应力分布灰度图。
图10为腐蚀深度为1.5mm的应分布图。
图11为腐蚀深度为1.5mm气瓶应力分布灰度图。
图12为腐蚀深度为2.0mm的应分布图。
图13为腐蚀深度为2.0mm气瓶应力分布灰度图。
图14为凹陷的结构示意图。
图15为图14的a-a剖视图。
图16为气瓶的腐蚀应力强度曲线。
图17为气瓶的载荷时间历程。
图18为气瓶的疲劳寿命曲线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的具体实施方式仅仅是本发明一种具体实施方式，而不是全部的具体实施方式。基于本发明中的具体实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合附图对本发明的技术方案做详细的说明。
本方案的气瓶寿命预测方法，包括如下步骤：
s1、获取气瓶内部腐蚀的腐蚀缺陷，所述腐蚀缺陷包括气瓶腐蚀的区域和腐蚀的深度；获取气瓶内部腐蚀的腐蚀缺陷时，腐蚀缺陷是由多个报废气瓶切割测量获得。其中缺陷部位集中在气瓶远离气瓶口的一端，且呈椭圆形分布。
s2、构建含有腐蚀缺陷的气瓶有限元模型；所述的有限元模型包括气瓶口、瓶底和瓶身，并且在有限元模型中的接嘴端口施加轴向位移约束和旋转约束，这样逼近了车载气瓶实际使用工况。所述的有限元模型采用整个气瓶的1/2，即沿气瓶口和平底的纵轴线将气瓶分为两个对称气瓶体，由于气瓶的对称性，所以可以选取建模一半的瓶体，相应的也降低了计算量。
s3、依据有限元模型，获得不同腐蚀深度对应的气瓶受到应力强度的数据；构建有限元模型时，对气瓶1内壁采用凹陷2的方式构建腐蚀区域。所述凹陷2为旋转曲面与气瓶壁相交构成，其中的旋转曲面最大直径的纬圆的直径小于气瓶瓶身的直径，所述旋转曲面的母线为圆弧形，母线的中部为最大直径的纬圆，即沿气瓶横切面方向设置一个圆弧形的曲面，圆弧形的曲面与气瓶横切面垂直，然后运弧形的曲面沿一个直线转动，直线与气瓶的中轴线平行，曲面上的各点到直线的距离均小于气瓶瓶体的直径，这样转动的曲面与气瓶内壁上就构成了凹陷。通过图3可以气瓶未受腐蚀时，即健康气瓶的应力强度较高区域集中在了气瓶筒体部分，大部分应力达到了495.47mpa以上，最大应力也出现在筒体部位，为728.28mpa，最小应力出现在瓶口，为29.845mpa。通过图4-图13腐蚀深度为0.1mm时，气瓶最大应力点开始向腐蚀区域移动；腐蚀深度为0.5mm时，气瓶应力呈现出明显向腐蚀区域集中的态势；腐蚀深度为1.0mm时，最大应力点移动到了腐蚀区域；腐蚀深度达到1.5mm时，最大应力达到了1010.8mpa，且684mpa以上的应力区域集中到了腐蚀区域，可见该腐蚀深度已对气瓶应力分布形成了较大影响；腐蚀深度达到2.0mm时，最大应力区域停留在腐蚀区域。
s4、依据气瓶的腐蚀深度与气瓶受到的应力强度，建立气瓶在充气、放气使用过程中的疲劳寿命函数，依据疲劳寿命函数获得气瓶使用寿命。
对腐蚀深度按0.1mm间隔由0.1mm升至3.0mm状态下，气瓶最大应力强度进行计算分析，如表1所示。
表1腐蚀深度与应力强度分布表
绘制气瓶的腐蚀强度曲线如图16从图中可以看出气瓶最大应力强度呈上升趋势。随着腐蚀深度的增加，气瓶最大应力强度出现2个明显拐点，即腐蚀深度为1.1mm和2.0mm的两个点。腐蚀深度低于1.1mm时，气瓶最大应力强度变化较小，主要集中在728.93mpa附近；从腐蚀深度1.2mm开始，气瓶最大应力强度出现第1次快速上升，至腐蚀深度为1.7mm时，达到1101.2mpa；腐蚀深度大于2.0mm时，气瓶最大应力强度呈现急速上升的趋势，气瓶进入失效区域。
车用气瓶使用过程中承受到较高的循环应力，出租车使用情况下一般平均每天充装1-2次，家用汽车使用情况下一般需要间隔多天充装1次，疲劳寿命较短，属于低周疲劳。气瓶剩余循环次数与名义应力范围相关。
通过图17可以看出对气瓶充气、放气过程。
气瓶名义应力强度s＝σ1-σ3，其中σ1为最大主应力，σ3为最小主应力，从而，名义应力幅值δs＝δsa→b＝δsb→c＝|si 1-si|，根据图7，sa＝0mpa，sc＝0mpa，根据表1的计算结果，可得出δs值与最大名义应力幅值一致。
其中，充气(a→b)过程，遵循稳态循环应力应变曲线：
放气(b→c)过程，遵循稳态迟滞回线：
式中e＝2.06×105mpa，kf＝2.45,k′＝2315mpa,n′＝0.196,σ0＝0mpa,ε0＝0,由公式(1)、公式(2)可求出充气过程b点的局部应力σb＝σ0 δσ、局部应变εb＝ε0-δε；由公式(3)、公式(4)可求出放气过程c点的局部应力σc＝σb-δσ、局部应变εc＝εb-δε；
将局部应力应变计算结果σb、εb、σc、εc代入morrow修正的manson-conffin公式，可得，
循环平均应力：
循环应变幅值：
疲劳寿命nf：
疲劳寿命函数为
其中δε为局部应变变程，σ′f为疲劳轻度系数，σm为平均应力，e为弹性模量，nf为疲劳寿命，b为疲劳强度指数，ε′f为疲劳延性系数，c为疲劳延性指数；通过疲劳寿命函数获得气瓶在不同时刻、不同腐蚀深度时的疲劳寿命曲线，如图18，可以看出随着气瓶腐蚀深度的增加，气瓶剩余疲劳寿命呈现减少趋势，腐蚀深度为1.1mm时，剩余疲劳寿命为6506次；腐蚀深度为2.2mm时，剩余疲劳寿命已降至981次。从而可知，对于该型号气瓶，最大腐蚀深度在1.1mm以内时，能够安全使用，当腐蚀深度达到1.1mm附近时应及时采取处理措施，以确保安全使用；可得到以下结论：1)气瓶腐蚀缺陷对气瓶额定载荷下的应力分布及应力强度具有重要影响，且存在2个明显拐点，即该型号气瓶腐蚀深度为1.1mm和2.0mm的2个点；2)气瓶腐蚀缺陷深度低于第一个拐点时，即该型号气瓶腐蚀深度低于1.1mm时，气瓶应力分布随缺陷深度的增加呈现向缺陷附近集中的趋势，但应力强度变化不大，该阶段气瓶处于正常运行状态；3)气瓶腐蚀深度到达拐点附近时，气瓶应力强度快速上升，应引起注意，并提前采取保护措施；4)当气瓶腐蚀缺陷达到第二个拐点，即该气瓶腐蚀深度达到2.0mm的点，气瓶进入失效状态，应停止使用。
以上具体实施方式只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上的改变之处，均在本发明的保护范围内，故本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
1.一种气瓶寿命预测方法，其特征是包括如下步骤：
获取气瓶内部腐蚀的腐蚀缺陷，所述腐蚀缺陷包括气瓶腐蚀的区域和腐蚀的深度；
构建含有腐蚀缺陷的气瓶有限元模型；
依据有限元模型，获得不同腐蚀深度对应的气瓶受到应力强度的数据；
依据气瓶的腐蚀深度与气瓶受到的应力强度，建立气瓶在充气、放气使用过程中的疲劳寿命函数，依据疲劳寿命函数获得气瓶使用寿命。
2.根据权利要求1所述的气瓶寿命预测方法，其特征是：
获取气瓶内部腐蚀的腐蚀缺陷时，腐蚀缺陷是由多个报废气瓶切割测量获得。
3.根据权利要求1所述的气瓶寿命预测方法，其特征是：
所述的有限元模型包括气瓶口、瓶底和瓶身，并且在有限元模型中的接嘴端口施加轴向位移约束和旋转约束。
4.根据权利要求3所述的气瓶寿命预测方法，其特征是：
所述的有限元模型采用整个气瓶的1/2，即沿气瓶口和平底的纵轴线将气瓶分为两个对称气瓶体。
5.根据权利要求1或3所述的气瓶寿命预测方法，其特征是：
构建有限元模型时，对气瓶内壁采用凹陷的方式构建腐蚀区域。
6.根据权利要求5所述的气瓶寿命预测方法，其特征是：
所述凹陷为旋转曲面与气瓶壁相交构成，其中的旋转曲面最大直径的纬圆的直径小于气瓶瓶身的直径。
7.根据权利要求6所述的气瓶寿命预测方法，其特征是：
所述旋转曲面的母线为圆弧形，母线的中部为最大直径的纬圆。
8.根据权利要求1所述的气瓶寿命预测方法，其特征是：
获得疲劳寿命的疲劳寿命函数为
其中δε为局部应变变程，σ′f为疲劳轻度系数，σm为平均应力，e为弹性模量，nf为疲劳寿命，b为疲劳强度指数，ε′f为疲劳延性系数，c为疲劳延性指数；
通过疲劳寿命函数获得气瓶在不同时刻、不同腐蚀深度时的疲劳寿命。
技术总结