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伴隨著國家汽車工業(yè)的高速發(fā)展，能源的巨大消耗和尾氣排放導致的空氣污染問題越來越嚴重，而以壓縮天然氣為燃料的清潔能源汽車，能夠極大地緩解能源緊缺和空氣污染這兩大問題。近年來，隨著先進復合材料的快速發(fā)展以及纏繞鋪放成型工藝的改進和完善，其成本逐年降低，車用壓縮天然氣(CNG)氣瓶在國內(nèi)外已得到大量使用。
近20年來，國內(nèi)外諸多學者對氣瓶的設計進行了大量的有限元分析以及實驗研究。GotsisPK等對承受內(nèi)壓的纖維纏繞壓力容器的破壞過程(包括損傷的發(fā)生、發(fā)展、傳播、破壞)進行了分析，并且討論了該容器的極限損傷問題。陳汝訓根據(jù)網(wǎng)格理論對復合材料壓力容器封頭殼體進行了承載能力分析，研究了纖維纏繞殼體爆破壓力和圓筒壁厚的計算公式。KabirMZ把氣瓶內(nèi)襯作為一個理想化的塑性材料，將纏繞層視為彈性材料，采用先漏后破壞作為設計標準，研究了容器封頭應力的分布。鄧京蘭等研究了CNG-3和CNG-4型氣瓶的優(yōu)缺點，通過纏繞理論和制造工藝技術(shù)設計了不同爆破壓強的纖維增強塑料氣瓶。ZuL等基于非測地線研究了環(huán)形壓力容器的纏繞線型的優(yōu)化設計和工藝分析，評估了環(huán)形壓力容器纏繞線型軌跡的穩(wěn)定性。黃再滿等應用ALGOFEAS有限元分析系統(tǒng)對鋁合金內(nèi)襯全纏繞復合材料天然氣氣瓶的預緊壓力進行了設計，研究了復合材料氣瓶的疲勞壽命。張國研究了纖維纏繞張力對氣瓶內(nèi)襯的影響。段成紅等采用有限元法分析了復合氣瓶的爆破問題，按最大應力準則和最大應變準則分別預測了爆破壓強。
對于纖維纏繞車載CNG氣瓶的結(jié)構(gòu)設計，我國復合材料壓力容器的設計制造標準比較少，很多企業(yè)都參考國外的設計制造標準。本文根據(jù)薄膜理論、網(wǎng)格理論，采用美國DOT-CFFC標準設計了70L纖維纏繞車載CNG氣瓶，并應用有限元軟件對氣瓶進行了模擬仿真計算分析。
復合材料氣瓶的結(jié)構(gòu)設計包括內(nèi)襯設計和纖維纏繞層設計。內(nèi)襯作為纏繞的芯模，對纏繞線型鋪放的厚度、角度起著決定性的作用，所以內(nèi)襯的設計不僅僅要依據(jù)結(jié)構(gòu)容積還應結(jié)合纏繞線型完成最終設計。內(nèi)襯選用鋁合金6061，回火條件T6；纖維纏繞層增強材料選用碳纖維T700-24K，基體選用E-42環(huán)氧樹脂。
纖維纏繞車載CNG氣瓶設計的主要技術(shù)指標如下：
裝氣容積：V=70L；工作壓強：20MPa；試驗水壓：30MPa；爆破壓強：68MPa；使用溫度：-40～65℃；疲勞次數(shù)：≥7500。
在壓力容器制造技術(shù)中，常常采用受力分布較均勻、存儲空間利用率高的橢球形封頭。在橢球形回轉(zhuǎn)殼體中，橢球比(長短軸比)m是影響橢球封頭受力和變形的重要參數(shù)由上可知，當m=1時，封頭為球形，其封頭處應力處處相等σφ=σθ，但是其空間利用率不高；當m=槡2時，橢球封頭端部環(huán)向應力等于零；當m＞2時，端部環(huán)向為壓應力σθ＜0；當m＜2時，端部為拉應力σθ＞0；當m→∞時，橢球殼變?yōu)槠桨�，其受力性能最差，所以平板在壓力容器中最不常見。綜上分析，橢球比越接近1，其封頭受力越均勻。
由上式可知，徑向位移與橢球比的平方有關(guān)。封頭與筒身連接處(端部)的位移大小由2-μ-m2決定。當2-μ-m2＞0，即端部向外擴張，此時m＜1.3；當2-μ-m2＜0，即端部向內(nèi)收縮，此時m＜1.3；當2-μ-m2=0，端部無位移。綜上分析，綜合考慮封頭強度和位移要求，可選取橢球形封頭，封頭的橢球比取2。
內(nèi)襯筒體的設計參數(shù)主要包括：封頭橢球比、筒體直徑以及筒身長度。在氣瓶容積以及封頭橢球比確定的前提下，氣瓶內(nèi)襯幾何尺寸可由筒體直徑和筒身長度決定。
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